UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E
ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM
DANIELLA MARIA PINHEIRO DE OLIVEIRA
SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE PÓS DE FOSFATO
TRICÁLCIO-
E DE HIDROXIAPATITA: ELABORAÇÃO DE
BIFÁSICOS HA/TCP-
PARA APLICAÇÕES COMO SUBSTITUTO
ÓSSEO
DANIELLA MARIA PINHEIRO DE OLIVEIRA
SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE PÓS DE FOSFATO
TRICÁLCIO-
E DE HIDROXIAPATITA: ELABORAÇÃO DE
BIFÁSICOS HA/TCP-
PARA APLICAÇÕES COMO SUBSTITUTO
ÓSSEO
DISSERTAÇÃO APRESENTADA PARA
OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA, CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT, ORIENTADA PELO PROF. DR. NELSON HERIBERTO ALMEIDA CAMARGO
Prof. Dr. Nelson Heriberto Almeida Camargo
“Síntese e caracterização de pós de fosfato tricálcio-
e de hidroxiapatita:
elaboração de bifásicos HA/TCP-
para aplicações como substituto
ósseo”
por
Daniella Maria Pinheiro de Oliveira
Essa dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de
MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
Na área de concentração "Cerâmica", e aprovada em sua forma final pelo CURSO DE MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
DO CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
Dr. Nelson Heriberto Almeida Camargo (presidente)
Banca Examinadora:
Joinville, 16 de dezembro de 2009. Dr. Enori Gemelli CCT/UDESC
O48s
De Oliveira, Daniella Maria Pinheiro.
Síntese e Caracterização de pós de fosfato tricálcio- e de hidroxiapatita: elaboração de bifásicos HA/TCP- para aplicações como substituto ósseo / Daniella Maria Pinheiro de Oliveira;
Orientador: Nelson Heriberto Almeida Camargo. 104 f.: il ; 30cm
Incluem referências.
Dissertação (mestrado) – Universidade do Estado de Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas, Mestrado em Ciências e Engenharia de Materiais, Joinville, 2010.
1. Cerâmicas. 2. Biocerâmicas. I. Camargo, Nelson Heriberto Almeida.
Dedico este trabalho...
Aos meus pais Laécio e Fátima que me conduziram a esse caminho, que sempre me apoiaram e me deram amor...
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. Nelson Heriberto Almeida Camargo, que como orientador e amigo soube cobrar, mas também não mediu esforços em oferecer todas as condições necessárias à realização do presente trabalho.
À Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC e ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM pela realização do presente trabalho.
A CAPES pelo fornecimento da bolsa de estudo.
Ao Centro de Ciências Tecnológicas e ao Departamento de Engenharia Mecânica pela infra-estrutura oferecida.
A todos os professores do Curso de Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais, que de uma forma direta ou indireta contribuíram para a realização desse trabalho.
A todos os bolsistas de laboratórios que também contribuíram de alguma forma com este trabalho.
Aos amigos Sarah, Juliana e Gisele pelo apoio técnico e moral recebido durante o desenvolvimento desse trabalho.
Ao dentista Nelson Levandowski Junior pelo apoio na realização dos testes in vivo desenvolvidos neste projeto.
Deus...
Não permitas que eu seja o carrasco que sangra as ovelhas, nem uma ovelha nas mãos dos algozes. Ajuda-me a dizer sempre a verdade na presença dos fortes e jamais dizer mentiras para ganhar os aplausos dos fracos.
Meu Deus...
Se me deres a fortuna, não me tires a felicidade; se me deres força, não me tires a sensatez; se me for dado prosperar, não permita que eu perca a modéstia, conservando apenas o orgulho da dignidade.
Ajuda-me a enxergar o outro lado das coisas, para não enxergar a traição dos adversários, nem acusá-los com maior severidade do que a mim mesma.
Não me deixa ser atingida pela ilusão da glória quando bem sucedida, e nem pelo desespero quando sentir insucesso. Lembra-me que a experiência de um fracasso poderá proporcionar um progresso maior.
Ó, Deus...
Faz-me sentir que o perdão é maior índice de força, e que a vingança é prova de fraqueza.
Se me tirares a fortuna, deixa-me a esperança; se me faltar a beleza da saúde, conforta-me com a graça da fé. Quando me ferir a ingratidão e a incompreensão dos meus semelhantes, cria em minha alma a força da desculpa e do perdão.
E, finalmente, Senhor, Se eu te esquecer,
Rogo-te mesmo assim, nunca te esqueças de mim. Amém.
RESUMO
DE OLIVEIRA, Daniella Maria Pinheiro. Síntese e Caracterização de Pós de Fosfato Tricálcio- e de Hidroxiapatita: Elaboração de Bifásicos HA/TCP- para Aplicações como Substituto Ósseo. 2010. 104f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia dos Materiais – Área: Cerâmicas) – Universidade do Estado de Santa Catarina, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Joinville, 2010.
Os tratamentos de perdas ósseas são temas atuais de pesquisa. Alguns dos materiais que se destacam em tratamentos de reconstituição e formação de um novo tecido ósseo, são a hidroxiapatita, os fosfatos de cálcio- e/ou , e os bifásicos hidroxiapatita/fosfato de cálcio- e/ou . Sabe-se da bibliografia que estes biomateriais apresentam composição mineralógica similar à apatita óssea do esqueleto humano. As biocerâmicas bifásicas micro e nanoestruturadas vêm sendo estudadas e são promissoras em procedimentos de reconstrução e recomposição tecidual. Isso se deve às suas características e propriedades, principalmente a biocompatíbilidade, a área superficial elevada dos grãos e a microporosidade. O que conduz a melhores condições dentro dos processos de osseoindução, osseointegração e formação de um novo tecido ósseo. Estes biomateriais são ainda promissores em aplicações como remodelação anatômica, na estética facial dentinária, no aumento do ângulo da mandíbula, no tratamento de fraturas em pacientes com osteoporose, além de tratamentos traumatológicos. Este trabalho realizou a síntese e caracterização das composições de fosfatos de cálcio obtidas pelo método via úmida. O pó nanoestruturado recuperado da síntese passou pelo processo de calcinação a temperatura de 900ºC/2h, fornecendo as fases fosfato tricálcio- e a hidroxiapatita. O objetivo deste trabalho foi a elaboração de quatro composições bifásicas hidroxiapatita/fosfato tricálcio- na razão HA/TCP-
60% /40% em volume. Para obtenção das composições bifásicas, utilizou-se o método de fragmentação mecânica em moinho atritor.
Os estudos de caracterização foram realizados utilizando as técnicas difração de raios X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e calorimetria diferencial exploratória (DSC). Foram realizados estudos preliminares in vivo em humanos para avaliação do comportamento dos biomateriais no processo de formação óssea no período de três meses.
ABSTRACT
DE OLIVEIRA, Daniella Maria Pinheiro. Synthesis and Characterization of Powders of -Tricalcium Phosphate and Hydroxyapatite: Elaboration of HA/-TCP Biphasic for Applications as Bone Substitute. 2010. 104p. Dissertation (Master Course in Science and Materials Engineering – Area: Ceramics) – Santa Catarina State University, Post Graduation Program in Science and Materials Engineering, Joinville, 2010.
The treatments of bone loss are current topics of research. The materials that stand out in the treatments of reconstruction and formation of new bone tissue, are the hydroxyapatite, the and/or calcium phosphates, and biphasic hydroxyapatite / and/or calcium phosphate. It is known from literature that these biomaterials have mineralogical composition similar to bone apatite of the human skeleton. The micro-and nanostructured biphasic bioceramics have been studied micro-and they are promising in the procedures of reconstruction and tissue regeneration. This is due to their characteristics and properties, especially the biocompatibility, high surface area of grains and micro-porosity, which leads to improved conditions within of the processes of osseoindução, osseointegration of bone tissue and the formation of new bone tissue early. These biomaterials are still promising in applications such as anatomic remodeling, in the facial aesthetics dentin, increasing the angle of the jaw, in the treatment of fractures in patients with osteoporosis, and in the treatment of the traumatology. This work was aimed at the synthesis and characterization of compositions beta-tricalcium phosphate, hydroxyapatite, that previously was synthesized compositions of phosphates in ratio Ca / P = 1.6 and 1.7 molar by the wet method. The powder recovered from the synthesis was dried in a rotary evaporator and subsequently calcined at 900 º C/2h for obtain beta-tricalcium phosphate and hydroxyapatite phase. After, there was the preparation of for biphasic hydroxyapatite / beta-tricalcium phosphate 60% / 40% by volume, by the method of fragmentation mechanical in attrition milling. The characterization studies were performed using the techniques X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and differential scanning calorimetry (DSC). Studies were performed in vivo and humans for analysis of bone formation.
SUMÁRIO
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...13
1.1. BIOMATERIAIS...14
1.1.1 Biocompatibilidade, Biofuncionalidade e Bioatividade ...20
1.2. TECIDO ÓSSEO...23
1.3 MECANISMOS DE FORMAÇÃO ÓSSEA...27
1.4. BIOCERÂMICAS ...28
1.5 BIOCERÂMICAS DE FOSFATO DE CÁLCIO ...32
1.5.1. Estabilidade dos Fosfatos de Cálcio...34
1.5.2. Fases Obtidas da Mistura CaO/P2O5 em Função da Temperatura ...35
1.5.3. Hidroxiapatita...36
1.5Fosfato Tricálcio (CP) ...45
1.5.5. Biocerâmicas Bifásicas de HA e TCP (BCP) ...51
1.6. Conclusão...55
2. MÉTODO EXPERIMENTAL ...57
2.1 MATÉRIAS-PRIMAS UTILIZADAS ...58
2.1.1. Carbonato de Cálcio...58
2.1.2. Óxido de Cálcio...60
2.1.3. Pentóxido de Fósforo ...61
2.1.4. Água Destilada ...62
2.1.5. Solução Ácida de Pentóxido de Fósforo...62
2.2. PROCESSO DE SÍNTESE DO PÓ NANOESTRUTURADO DE FOSFATO DE CÁLCIO...62
2.2.1. Secagem do colóide ...64
2.2.2. Moagem e peneiramento ...64
2.2.3. Calcinação...65
2.2.4. Tratamento Térmico...65
2.2.5. Elaboração das Composições Bifásicas...65
2.3. CARACTERIZAÇÃO ...68
2.3.1. Caracterização Física ...68
2.3.1.1. Análise por difração de raios X. ...68
2.3.1.2. Infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) ...68
2.3.2. Caracterização Térmica...69
2.3.2.1. Análise por TG e DSC ...69
2.3.3. Caracterização Morfológica Microestrutural e Nanoestrutural...69
2.3.3.1 Preparação das Amostras ...69
2.3.3.2. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) ...70
2.4. TESTE IN VIVO EM HUMANOS...70
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES...71
3.1. MEDIDAS DO VALOR DO PH NA SOLUÇÃO COLOIDAL...72
3.2. DIFRATOMETRIA DE RAIOS X ...73
3.2.1. Fosfato de Cálcio Hidratado...73
3.2.2. Fosfato de Cálcio Obtidos da Calcinação...74
3.2.3. Fosfatos de Cálcio Obtidos do Tratamento Térmico 1100ºC/2h...75
3.2.3. Composições Bifásicas HA/TCP- 60/40 (BCPs) ...77
3.3. INFRAVERM4RELHO POR TRANSFORMADA DE FOURIER (FTIR)...79
3.4 TERMOGRAVIMETRIA(TG) E CALORIMETRIA EXPLORATÓRIA DIFERENCIAL(DSC) ...81
3.4.3. Análise Térmica dos Bifásicos (BCPs) ...82
3.5 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV)...85
3.5.1. Caracterização Morfológica da Composição Ca/P= 1,6molar ...85
3.5.2. Caracterização Morfológica da Composição Ca/P= 1,7molar ...86
3.5.3. Caracterização Morfológica do TCP- e HA Tratados a 1100ºC/2h...87
3.5.4. Caracterização Morfológica dos Bifásicos (BCPs) ...88
3.6. RESULTADOS DO TESTE IN VIVO EM HUMANOS ...90
4. CONCLUSÃO GERAL E RECOMENDAÇÃO PARA TRABALHOS FUTUROS...94
