Adsorção de Zn2+, Sr2+ e Pb2+ em fosfatos de calcio e fase ossea inorganica

(1)

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

Instituto de Química

Departamento de Físico-Química

Dissertação de Mestrado

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Mestranda: Déborah de Alencar Simoni

Orientador: Prof. Dr. Celso Aparecido Bertran

Co-Orientador: Prof. Dr. José de Alencar Simoni

(2)

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DEDICATÓRIA E AGRADECIMENTOS

Agradeço pelos inestimáveis apoios de diferentes naturezas ...

... e dedico este trabalho a todos que direta, ou indiretamente, colaboraram com a sua concretização, especialmente minha família, meu orientador, meu namorado Daniel e meu gato Fred.

Agradeço à UNICAMP, pelo apoio institucional, e à CAPES, pela bolsa de Mestrado.

(4)

CURRICULUM VITAE

1. Formação Acadêmica

1.a. Mestrado em Química: Departamento de Físico-Química, Instituto de Química / UNICAMP, data de conclusão: Julho de 2004.

1.b. Bacharel em Química: Instituto de Química / UNICAMP Data de conclusão: Agosto de 2002.

2. Produção Científica 2.1. Iniciações científicas

2.1.a. Bolsa SAE-PIBC – IQ-UNICAMP – 08 / 2001 – 07 / 2002. Projeto: “Estudo

Termodinâmico da Interação entre Aminoácidos e Hidroxiapatita.” Orientador

Prof. Dr. José de Alencar Simoni.

2.1.b. Bolsa SAE-PIBC – IQ-UNICAMP – 08 / 2000 – 07 / 2001. Projeto: “Estudo

Comparativo da Superfície Química na Troca de Íons de Metais Pesados por Duas Argilas Naturais Brasileiras- Uma Possível Aplicação Ambiental.”

Orientador Prof. Dr. José de Alencar Simoni.

2.1.c. Bolsa SAE-PIBC – IQ-UNICAMP – 08 / 1999 - 07 / 2000. Projeto “As

Disciplinas de Química Geral do IQ/UNICAMP sob uma Perspectiva

Histórica”. Orientador Prof. Dr. João Carlos de Andrade.

3. Atividades Extracurriculares

3.1. Participações em Bancas de Exames de Ingresso

3.1.a. Vestibular 2004 da UNICAMP - Corretora (Banca de Química -2ªfase) 3.1.b. Vestibular 2003 da UNICAMP - Corretora (Banca de Química -2ªfase). 3.2. Experiência em ensino

3.2.a. III Etapa de Estudos Presenciais do 3º Grau Indígena - Universidade do Estado de Mato Grosso - UNEMAT – Barra do Bugres – MT - 17 a 27 de Julho de 2002 - 80 horas, atuação como Professora Auxiliar na Área de Ciências Matemática e da Natureza III.

3.3. Cursos de Extensão Universitária Realizados

3.3.a. “Aspectos Relevantes da Química de Solos, Hidrosfera e Atmosfera”, 26º Congresso Latino Americano de Química e 27ª Reunião Anual da Sociedade

(5)

Brasileira de Química, Salvador, BA, Brasil, Maio / Junho de 2004, com duração de 6 horas.

3.3.b. “Química Forense”, I Semana de Química do Instituto de Química da Unicamp - Universidade Estadual de Campinas, Campinas, Outubro de 2001, com duração de 6 horas.

4. Trabalhos Científicos Apresentados em Congressos:

4. a. “ H4SiO4 ou Si(OH)4? Ácido ou Base? Avaliação do Conceito Ácido-Base

Numa Questão de Vestibular”, Santos Filho, P. F., Simoni, D.A.., Simoni, J.A. e

Tubino, M., 26º Congresso Latino Americano de Química e 27ª Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química, Salvador, BA, Brasil, Maio / Junho de 2004, apresentação de painel ( ED - 138) e Livro de Resumos.

4. b. “Estudo da Adsorção dos Íons Zn2+, Sr2+ e Pb2+ em Hidroxiapatita

Sintética”, Simoni, D.A., Bertran, C.A. e Simoni, J.A., 26º Congresso Latino

Americano de Química e 27ª Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química, Salvador, BA, Brasil, Maio / Junho de 2004, apresentação de painel ( FQ - 101) e Livro de Resumos.

4.c. “Estudo Termodinâmico da Interação entre Aminoácidos e

Hidroxiapatita- Uma Singela Contribuição ao Estudo da Biocompatibilidade

de Materiais Sintéticos”, Simoni, D.A.., Bertran, C.A. e Simoni, J.A., 26ª Reunião

Anual da Sociedade Brasileira de Química, Poços de Caldas, MG, Brasil, Maio de 2003, apresentação de painel (FQ – 042) e Livro de Resumos.

4. d. “Estudo Comparativo da Superfície Química na Troca de Íons de Metais

Pesados por Duas Argilas Naturais Brasileiras”, Simoni, D.A. e Simoni, J.A.,

25ª Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química, Poços de Caldas, MG, Brasil, Maio de 2002, apresentação de painel (FQ – 053) e Livro de Resumos. 5. Artigos Publicados

5.a. Simoni, J. A., Tubino, M. e Simoni, D.A., Reações Químicas: “As Essências

da Vida”, Cadernos de Educação Escolar Indígena, 2, 1, 2003, 88 - 98.

5.b. Simoni, D.A., Faigle, J.F.G., de Andrade, J.C. e Simoni, J.A., "Um

Experimento com Múltiplas Propostas para um Laboratório de Química

(6)

RESUMO

ADSORÇÃO DE Zn

2+

, Sr

2+

E Pb

2+

EM FOSFATOS DE CÁLCIO

E FASE ÓSSEA INORGÂNICA

A fase inorgânica dos tecidos duros de seres humanos e animais (ossos e dentes) é constituída, essencialmente, por fosfatos de cálcio, sendo o principal deles a hidroxiapatita (HAP: Ca10(PO4)6(OH)2). A presença de íons, tanto no fluido

biológico em permanente contato com os ossos, quanto na fase óssea inorgânica, parece influenciar sua formação e características, como cristalinidade e estabilidade. Por esta razão, as interações entre a fase mineral óssea e estes íons são de interesse, principalmente quando são introduzidos, por exemplo, por contaminação acidental. Neste projeto, foi estudada a interação entre HAP sintética e fase óssea inorgânica, com os íons metálicos Zn2+, Sr2+ e Pb2+, a partir da determinação de isotermas de adsorção obtidas em condições experimentais de temperatura e força iônica próximas às fisiológicas. Os materiais utilizados como adsorventes foram:

1. fosfatos de cálcio: sintetizados por precipitação;

2. fase óssea inorgânica: extraída de calotas cranianas e fêmures de ratos wistar; A quantificação dos íons metálicos foi feita através das técnicas de fluorescência de raios X (FRX) e espectroscopia de emissão ótica por plasma indutivamente acoplado (ICP-OES). As isotermas foram tratadas segundo os modelos de Langmuir e de Freundlich para a determinação de parâmetros que representam o equilíbrio adsorvente / adsorbato. Os resultados obtidos mostraram que: a adsorção, independentemente do íon metálico, é maior para a fase óssea inorgânica do que para a HAP sintética; as quantidades de íons adsorvidos, independentemente do material adsorvente, segue a ordem:

Pb2+ > Zn2+ > Sr2+

e os mecanismos predominantes dos processos de adsorção são a adsorção na superfície do adsorvente e a troca iônica dos íons Ca2+ pelos íons metálicos estudados.

(7)

ABSTRACT

ADSORPTION OF Zn

2+

, Sr

2+

AND Pb

2+

ON CALCIUM

PHOSPHATES AND BONE INORGANIC PHASE

The inorganic phase of human and animal hard tissues (bone and teeth) is mainly composed by calcium phosphates, where hidroxyapatite (HAP: Ca10(PO4)6(OH)2) is the most important of them. The presence of ions in the body

fluid, which is in permanent contact with bone, and in the bone inorganic phase itself, seems to influence the bone formation and its characteristics, like crystalinity and stability. Therefore the interactions between the bone inorganic phase and these ions are of interest, specially when these ions are introduced, for exemple, by accidental contamination. In this work, the interaction between synthetic HAP and bone inorganic phase with the metallic ions Zn2+, Sr2+ e Pb2+ were studied, through the determination of adsorption isotherms obtained in temperature and ionic strength close to physiological conditions. The adsorvent materials used were:

1. calcium phosphates: obtained by precipitation;

2. bone inorganic phase: extracted from craneous and femurs of wistar rat;

The quantification of the ions were conducted by X Ray Florescence (XRF) and induced coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES). The Langmuir and the Freundlich models were applied to interpret the adsorption isotherms and to obtain the parameters that represent the adsorvent / adsorbate equilibrium. The isotherms parameters showed that the adsorption of ions is higher for bone inorganic phase then for synthetic calcium phosphates, the amount of ions adsorbed, for both adsorbents, follows the order:

Pb2+ > Zn2+ > Sr2+

and that the most important mechanisms of adsorption are the adsorption on the adsorbent surface and the Ca2+ ionic exchange.

(8)

ÍNDICE

LISTA DE ABREVIATURAS...xvii

LISTA DE TABELAS...xix

LISTA DE FIGURAS...xxi

Capítulo I - INTRODUÇÃO ...1

I - 1. Principais Aplicações dos Fosfatos de Cálcio...1

I - 2. Os Fosfatos de Cálcio e as Fases Orgânica e Mineral dos Ossos I - 3. A Hidroxiapatita Biológica...3

I - 3. 1. A Fase Óssea Inorgânica e os Íons Zn2+...4

I - 3. 2. A Fase Óssea Inorgânica e os Íons Sr2+...5

I - 3. 3. A Fase Óssea Inorgânica e os Íons Pb2+...6

I - 4. Os Mecanismos de Adsorção de Zn2+, Sr2+ e Pb2+ em Hidroxiapatita I - 4. 1. Adsorção do Íon na Superfície da Hidroxiapatita...8

I - 4. 2. Troca Iônica...9

I - 4. 3. Dissolução da HAP Seguida da Precipitação de uma Nova Fase...11

I - 5. Isotermas de Adsorção: os Modelos de Freundlich e de Langmuir...12

Capítulo II - OBJETIVOS...15

Capítulo III - PARTE EXPERIMENTAL...16

III - 1. Obtenção dos Fosfatos de Cálcio III - 1. 1. Síntese por Precipitação...17

III - 1. 2. Extração de Fase Óssea Inorgânica...18

III - 2. Caracterização dos Fosfatos de Cálcio III - 2. 1. Razão Ca / P...18

(9)

III - 2. 2. Difração de Raios X...19

III - 2. 3. Espectroscopia na Região do Infravermelho...19

III - 3. Determinação das Isotermas de Adsorção III - 3. 1. a. Isotermas de Adsorção em HAP-1 e HAP-2...19

III - 3. 1. b. Isotermas de Adsorção em HAP-R...20

III - 3. 2. a. Quantificação dos Íons Zn2+, Sr2+, Pb2+ e Ca2+ III - 3. 2. a. 1. Preparação das Amostras dos Sobrenadantes...21

III - 3. 2. a. 2. Preparação das Amostras dos Sólidos...21

III - 3. 2. b. Técnicas Analíticas III - 3. 2. b. 1. Fluorescência de Raios X (FRX)...22

III - 3. 2. b. 2. Espectroscopia de Emissão Ótica por Plasma Indutivamente Acoplado (ICP-OES)...23

Capítulo IV - RESULTADOS E DISCUSSÃO...24

IV - 1. Caracterização dos Fosfatos de Cálcio IV - 1. 1. Determinação da Razão Ca / P...24

IV - 1. 2. Difração de Raios X...25

IV - 1. 3. Espectroscopia na Região do Infravermelho...27

IV - 2. Isotermas de Adsorção...29

IV - 2. 1. Isotermas de Adsorção em HAP-1 IV - 2. 1. a. 1. Isoterma de Adsorção de Zn2+ em HAP-1 (pH = 5,5 ± 0,2)...31

IV - 2. 1. a. 2. Isoterma de Adsorção de Zn2+ em HAP-1 (pH = 6,5 ± 0,2)...37

IV - 2. 1. b. 1. Isoterma de Adsorção de Sr2+_{em HAP-1} (pH = 5,5 ± 0,2)...39

IV - 2. 1. b. 2. Isoterma de Adsorção de Sr2+ em HAP-1 (pH = 6,5 ± 0,2)...39

IV - 2. 2. Isotermas de Adsorção em HAP-2...41 IV - 2. 2. a. Isoterma de Adsorção de Zn2+ em HAP-2

(10)

(pH = 6,0 ± 0,2)...43

IV - 2. 2. b. Isoterma de Adsorção de Sr2+ em HAP-2 (pH = 6,0 ± 0,2)...44

IV - 2. 2. c. 1. Isoterma de Adsorção de Pb2+_{em HAP-2} (pH = 5,0 ± 0,2)...45

IV - 2. 2. c. 2. Isoterma de Adsorção de Pb2+ em HAP-2 (pH = 5,5 ± 0,2)...48

IV - 2. 3. Adsorções em HAP-R...51

IV- 2. 3. 1. Cinética de Adsorção de Sr2+ em HAP-R (pHCont.= 6,0 ± 0,2)...52

IV - 2. 3. 2. Isotermas de Adsorção em HAP-R...53

IV - 2. 3. 2. 1. a. Isoterma de Adsorção de Zn2+ em HAP-R (pHCont.= 5,0 ± 0,2)...55

IV - 2. 3. 2. 1. b. Isoterma de Adsorção de Zn2+ em HAP-R (pHN. Cont.= 5,0 ± 0,2)...56

IV - 2. 3. 2. 1. c. Isoterma de Adsorção de Zn2+ em HAP-R (pHCont.= 6,0 ± 0,2)...56

IV - 2. 3. 2. 2. a. Isoterma de Adsorção de Sr2+_{em HAP-R} (pHCont.= 5,0 ± 0,2)...60

IV - 2. 3. 2. 2. b. Isoterma de Adsorção de Sr2+ em HAP-R (pHN. Cont.= 5,0 ± 0,2)...60

IV - 2. 3. 2. 2. c. Isoterma de Adsorção de Sr2+ em HAP-R (pHCont.= 6,0 ± 0,2)...61

IV - 2. 3. 2. 3. a. Isoterma de Adsorção de Pb2+ em HAP-R (pHCont.= 5,0 ± 0,2)...63

IV - 2. 3. 2. 3. b. Isoterma de Adsorção de Pb2+ em HAP-R (pHN. Cont.= 5,0 ± 0,2)...64

IV - 2. 4. Influência das Variáveis Íon, Adsorvente e pH nas Adsorções IV - 2. 4. a. Influência do Íon nas Adsorções...66

IV - 2. 4. b. Influência do Adsorvente nas Adsorções...67

IV - 2. 4. c. Influência do pH nas Adsorções...67

(11)

Capítulo V - CONCLUSÕES...71

Capítulo VI - REFERÊNCIAS...72

Capítulo VII - APÊNDICES...76

APÊNDICE 1. Curvas Analíticas Ap. 1. a: Curva Analítica de Ca...76

Ap. 1. b: Curva Analítica de P...76

Ap. 1. c: Curva Analítica de Zn...76

Ap. 1. d: Curva Analítica de Pb...76

Ap. 1. e: Curva Analítica de Sr...77

APÊNDICE 2. Indicador de Arrhenius...78

APÊNDICE 3. Isotermas de Adsorção Determinadas por Outras Técnicas Ap. 3. a. Isotermas de Adsorção Determinadas por Titulação Complexométrica...79

Ap. 3. a. 1. Isoterma de Adsorção de Zn2+ em HAP-1 (pH = 5,0 ± 0,2)...80

Ap. 3. a. 2. Isoterma de Adsorção de Zn2+ em HAP-1 (pH = 5,5 ± 0,2)...81

Ap. 3. b. Isotermas de Adsorção Determinadas por Absorção Atômica...82

Ap. 3. b. 1. Isoterma de Adsorção de Zn2+_{em HAP-1} (pH = 5,5 ± 0,2)...82

(12)

LISTA DE ABREVIATURAS

• AA: espectroscopia de absorção atômica • c: constante

• C: concentração do íon na solução proveniente da dissolução do adsorvente (Eq. 10)

• CEMIB: centro de bioterismo

• Ceq: concentração de equilíbrio da solução de adsorbato

• Cinic: concentrações inicial da solução de adsorbato

• CPPD: pirofosfato de cálcio dihidratado

• DCPD: monohidrogeno fosfato de cálcio dihidratado • FRX: fluorescência de raios X

• HAP: hidroxiapatita

• HAP-1: fosfato de cálcio proveniente da 1ª síntese de hidroxiapatita por precipitação

• HAP-2: fosfato de cálcio proveniente da 2ª síntese de hidroxiapatita por precipitação

• HAP-R: fase óssea inorgânica

• ICP-OES: espectroscopia de emissão ótica por plasma indutivamente acoplado • IV: espectroscopia de infravermelho

• JCPDS:

• KF: constante relacionada ao equilíbrio adsorbato / adsorvente, indicativa da afinidade entre estas espécies

• KL: constante relacionada ao equilíbrio adsorbato / adsorvente, indicativa da afinidade entre estas espécies

• m: massa de adsorvente dissolvida (Eq. 10) • M: massa de adsorvente (Eq. 9)

• n: quantidade adsorvida em 1 g de adsorvente

• N: quantidade máxima de adsorbato por 1 g de adsorvente, correspondente à saturação do adsorvente (patamar)

• N. C.: número de coordenação

• n-Sobr: quantidade de íons adsorvidos em 1 g de adsorvente (Eq. 9) • n-Sól: quantidade de íons adsorvidos em 1 g de adsorvente (Eq. 10)

(13)

• OCP: fosfato octacálcico

• pHCont.: adsorção realizada em pH controlado

• pHN.Cont.: adsorção realizada em pH não controlado

• R: coeficiente de correlação das retas das linearizações • SERMs: moduladores seletivos receptores de estrógeno

• TCP: fosfato tricálcico

• v: volume da solução resultante da dissolução do adsorvente (Eq. 10) • V: volume da solução de adsorbato (Eq. 9)

(14)

LISTA DE TABELAS

Tab. 1: Fosfatos de cálcio presentes no tecido ósseo [14]...3

Tab. 2: Lista e descrição dos reagentes utilizados no desenvolvimento deste trabalho...16

Tab. 3: Técnicas empregadas nas determinações quantitativas de íons...23

Tab. 4: Resultados das razões Ca / P das três amostras de HAP...24

Tab. 5: Picos característicos da HAP (JCPDS) com intensidades relativas a partir de 20%... ...25

Tab. 6: Dados da isoterma de adsorção de íons Zn2+_{em HAP-1, para pH = 5,5,}

segundo o modelo de Langmuir. ...32

Tab. 7: Dados da isoterma de adsorção de íons Zn2+ em HAP-1, para pH = 5,5, segundo o modelo de Freundlich...32

Tab. 8: Parâmetros das linearizações e isotermas de Freundlich e de Langmuir, para as adsorções em HAP-1...36

Tab. 9: Parâmetros das linearizações e isotermas de Freundlich e de Langmuir, para as adsorções em HAP-2...42

Tab. 10: Dados da isoterma de adsorção de íons Pb2+ em HAP-2, para pH = 5,0, para n-Sobr e para n-Sól. ...46

(15)

Tab. 11: Dados da isoterma de adsorção de íons Pb2+ em HAP-2, para pH = 5,5, cujos valores foram determinados por n - Sobr e n - Sól. ...48 Tab. 12: Cinética de adsorção Sr2+ em HAP-R, pHCont.= 6,0...52

Tab. 13: Parâmetros das linearizações e isotermas de Freundlich e de Langmuir, para as adsorções em HAP-R...54

Tab. 14: Efeito do pH observado para as isotermas estudadas neste trabalho, através da comparação entre os valores do parâmetro N da equação de Langmuir...68

Tab. 15: Valores estimados da cobertura da superfície da HAP-R. ... 69

Tab. 16: Raios iônicos, para número de coordenação igual a 6, dos íons Ca2+, Zn2+, Sr2+ e Pb2+ [64] ...70

(16)

LISTA DE FIGURAS

Fig. 1: Difratogramas de raios X de HAP 1, 2 e R e de CaCO3 e CaHPO4...25

Fig. 2: Difratogramas de raios X de HAP 1, 2 e R, para 25º < 2θ < 35º...26 Fig. 3: Espectros de IV (450 a 4500 cm-1), em pastilha de KBr, para HAP 1,

2 e R, e CaCO3 e CaHPO4...28

Fig. 4: Espectros de IV (450 a 1800 cm-1_{), em pastilha de KBr, para HAP 1,}

2 e R. ...28

Fig. 5: Linearização da equação de Langmuir para a adsorção de Zn2+ em

HAP-1, pH = 5,5...33

Fig. 6: Linearização da equação de Freundlich para a adsorção de Zn2+ em

HAP-1, pH = 5,5...33

Fig. 7: Isoterma de adsorção de Zn2+ em HAP-1, pH = 5,5, n-Sobr, segundo os modelos de Freundlich e de Langmuir. ...34

Fig. 8: Isoterma de adsorção de Zn2+ em HAP-1, pH = 6,5, n – Sobr, segundo os modelos de Freundlich e de Langmuir...37

Fig. 9: Isoterma de adsorção de Zn2+ em HAP-1, pH = 6,5, n – Sól, segundo os modelos de Freundlich e de Langmuir...38

Fig. 10: Isoterma de adsorção de Sr2+ em HAP-1, pH = 5,5, n-Sobr, segundo os modelos de Freundlich e de Langmuir...39

(17)

Fig. 11: Isoterma de adsorção de Sr2+ em HAP-1, pH = 6,5, n – Sobr, segundo os modelos de Freundlich e de Langmuir...39

Fig. 12: Isoterma de adsorção de Sr2+_{em HAP-1, pH = 6,5, n – Sól, segundo os}

modelos de Freundlich e de Langmuir...40

Fig. 13: Isoterma de adsorção de Zn2+ em HAP-2, pH = 6,0, n – Sobr, segundo os modelos de Freundlich e de Langmuir...43

Fig. 14: Isoterma de adsorção de Zn2+ em HAP-2, pH = 6,0, n – Sól, segundo os modelos de Freundlich e de Langmuir...43

Fig. 15: Isoterma de adsorção de Sr2+ em HAP-2, pH = 6,0, n – Sobr, segundo os modelos de Freundlich e de Langmuir...44

Fig. 16: Isoterma de adsorção de Sr2+ em HAP-2, pH = 6,0, n – Sól, segundo os modelos de Freundlich e de Langmuir...45

Fig. 17: Isotermas de adsorção de Pb2+ em HAP-2, pH = 5,0, em função da

concentração inicial, para n-Sobr e n-Sól...47

Fig. 18: Isotermas de adsorção de Pb2+ em HAP-2, pH = 5,0, em função da

concentração de equilíbrio, para n-Sobr e n-Sól...47

Fig. 19: Isotermas de adsorção de Pb2+_{em HAP-2, pH = 5,5, em função da}

concentração inicial, para n-Sobr e n-Sól...49

Fig. 20: Isotermas de adsorção de Pb2+ em HAP-2, pH = 5,5, em função da concentração de equilíbrio, para n-Sobr e n-Sól. (As barras de erro foram omitidas para facilitar a visualização dos pontos)...49

(18)

Fig. 21: Gráfico da cinética de adsorção de Sr2+ em HAP-R (pHCont.= 6,0),

em função da variação da concentração de equilíbrio de Sr2+...53 Fig. 22: Isoterma de adsorção de Zn2+_{em HAP-R, pH}

Cont.= 5,0, segundo os

Fig. 23: Isoterma de adsorção de Zn2+ em HAP-R, pHN. Cont.= 5,0, segundo os

Fig. 24: Isoterma de adsorção de Zn2+ em HAP-R, pHCont.= 6,0, segundo os

Fig. 25: Gráfico da quantidade de Ca2+ em equilíbrio em função da quantidade de Zn2+_{adsorvido, para a adsorção de Zn}2+ _{em HAP-R, para pH}

Cont.= 5,0,

pHCont.= 6,0 e pHN. Cont.= 5,0...58

Fig. 26: Isoterma de adsorção de Sr2+ em HAP-R, pHCont.= 5,0, segundo os

Fig. 27: Isoterma de adsorção de Sr2+ em HAP-R, pHN. Cont.= 5,0, segundo os

Fig. 28: Isoterma de adsorção de Sr2+ em HAP-R, pHCont.= 6,0, segundo os

Fig. 29: Gráfico da quantidade de Ca2+ em equilíbrio em função da quantidade de Sr2+ adsorvido, para a adsorção de Sr2+ em HAP-R, para pHCont.= 5,0,

pHCont.= 6,0 e pHN. Cont.= 5,0...62

Fig. 30: Isoterma de adsorção de Pb2+ em HAP-R, pHCont.= 5,0,segundo os

modelos de Freundlich e de Langmuir...63 Fig. 31: Isoterma de adsorção de Pb2+ em HAP-R, pHN. Cont.= 5,0, segundo os

(19)

Fig. 32: Gráfico da quantidade de Ca2+ em equilíbrio em função da quantidade de Pb2+ adsorvido, para a adsorção de Pb2+ em HAP-R, para pHCont.= 5,0 e

pHN. Cont.= 5,0...65

Fig. 33: Isotermas de adsorção de Zn2+, Sr2+ e Pb2+ em HAP-1, HAP-2 e HAP-R, ajustadas segundo o modelo de Langmuir. Os pontos foram omitidos para facilitar a visualização das isotermas...66 Fig. 34: Linearização da equação de Langmuir para a adsorção de Zn2+ em HAP-1, pH = 5,0, n-Sobr (titulação complexométrica)...80

Fig. 35: Isoterma de adsorção de Zn2+ em HAP-1, pH = 5,0, n-Sobr (titulação complexométrica), segundo o modelo de Langmuir...80

Fig. 36: Linearização da equação de Langmuir para a adsorção de Zn2+ em HAP-1, pH = 5,5, n-Sobr (titulação complexométrica)...81

Fig. 37: Isoterma de adsorção de Zn2+ em HAP-1, pH = 5,5, n-Sobr (titulação complexométrica), segundo o modelo de Langmuir...81

Fig. 38: Linearização da equação de Langmuir para a adsorção de Zn2+em HAP-1, pH = 5,5, n-Sobr (AA)...83

Fig. 39: Isoterma de adsorção de Zn2+_{em HAP-1, pH = 5,5, n-Sobr (AA), segundo}

o modelo de Langmuir...84

Fig. 40: comparação entre as isotermas de adsorção de Zn2+ em HAP-1, pH = 5,5, cujos pontos foram determinados por AA, titulação complexométrica e FRX, ajustadas segundo o modelo de Langmuir...85

(20)

Capítulo I - INTRODUÇÃO

Os fosfatos de cálcio são compostos que, devido a características como: composição, estrutura e cristalinidade, apresentam propriedades importantes que há muito tempo vêem sendo estudadas. Dentre estas propriedades, merecem destaque: o alto poder de sorção, troca iônica e a seletividade por íons de metais pesados [1-4], a biocompatibilidade e a osteocondução em tecidos vivos [5-8].

I - 1. Principais Aplicações dos Fosfatos de Cálcio

A exploração de minas e o descarte de materiais que contêm íons metálicos inevitavelmente causam contaminações no solo. Os processos de produções pirometalúrgicas geram emissões, em alta quantidade, de metais como cádmio, zinco, chumbo, cobre, etc. A toxicidade de solos contendo altos níveis de metais disponíveis provoca um desequilíbrio na vegetação natural do local que, aos poucos, desaparece deixando áreas descobertas. Estas áreas desprotegidas representam um risco, uma vez que a ausência de vegetação facilita a percolação de água através do solo, podendo causar a contaminação do lençol freático [9].

O alto poder de sorção, troca iônica e seletividade por íons de metais pesados conferem aos fosfatos de cálcio uma pronunciada eficácia na remediação de áreas contaminadas por íons metálicos. Isso tem impulsionado a aplicação destes fosfatos de cálcio na estabilização in situ de íons metálicos poluentes, constituindo um método econômico, que reduz os riscos de contaminação de águas subterrâneas, de incorporação destes metais pelas plantas e da exposição de outros organismos vivos a eles [9]. Estudos confirmam a eficácia da interação entre fosfatos de cálcio e íons metálicos, incluindo: chumbo, urânio [3], cádmio, zinco, magnésio, cobre, ferro, estrôncio, alumínio [8].

Aos aspectos ambientais de remediação do solo pelo uso de fosfatos de cálcio deve-se juntar a importância destes compostos para a área médica. Alguns fosfatos de cálcio exibem as propriedades de biocompatibilidade e osteocondução

(21)

quando implantados em ossos de mamíferos, em virtude de sua semelhança com a fase mineral dos ossos e dentes [7]. Dessa forma, estas propriedades têm estimulado pesquisas relacionadas à fabricação de próteses onde fosfatos de cálcio são empregados, e ao estudo das interações que ocorrem quando estas próteses são implantadas in vivo [10]. Estas pesquisas viabilizaram, por exemplo, o uso da hidroxiapatita na odontologia, assim como no revestimento de próteses metálicas ortopédicas [10, 11].

I - 2. Os Fosfatos de Cálcio e as Fases Orgânica

e Mineral dos Ossos

Os tecidos duros, ossos e dentes, dos mamíferos são constituídos por uma fase orgânica e uma fase mineral. A fase orgânica, em meio à qual se encontra a fase mineral, consiste de uma matriz extracelular de proteínas de colágeno tipo I, principalmente, e várias outras proteínas não colaginosas. A rede de fibras de colágeno provê uma região de organização e reserva espacial para a deposição de cristais, enquanto a matriz de macromoléculas não colaginosas está envolvida no controle da nucleação e crescimento da fase mineral [12].

A fase mineral, responsável por fornecer estabilidade estrutural ao corpo, protegendo órgãos vitais e funcionando como um depósito regulador de íons [13], é constituída por diferentes fosfatos de cálcio, que podem ser caracterizados por suas razões Ca / P, como apresentado na Tab. 1.

Embora a composição da fase óssea inorgânica possa variar, dependendo da maturação e da função óssea, seus padrões de difração de raios X e medidas da razão Ca / P são compatíveis com os da hidroxiapatita, indicando que este mineral, geralmente, é o mais abundante na fase inorgânica dos ossos.

(22)

Tab. 1: Fosfatos de cálcio presentes no tecido ósseo [14].

Fosfato de Cálcio Composição Razão Ca / P OCP: fosfato octacálcico Ca8H2(PO4)6 . 5 H2O 1,33

DCPD: monohidrogeno fosfato de cálcio dihidratado

CaHPO4 . 2 H2O 1,0

TCP: fosfato tricálcico Ca3(PO4)2 1,5

CPPD: pirofosfato de cálcio dihidratado

Ca2P2O7 . 2 H2O 1,0

HAP: hidroxiapatita Ca10(PO4)6(OH)2 1,67

I - 3. A Hidroxiapatita Biológica

A hidroxiapatita (Ca10(PO4)6(OH)2) apresenta seus grupos arranjados em

uma estrutura cristalina, monoclínica, onde os íons cálcio podem ser identificados em dois ambientes diferentes, que são denominados sítios tipo I (Ca (I)) e sítios tipo II (Ca (II)) [15].

Em sistemas biológicos, porém, a hidroxiapatita caracteriza-se por uma cristalinidade reduzida à difração de raios X e pelo tamanho submicrométrico de suas partículas, e se encontra em equilíbrio com íons presentes no fluido corpóreo (Na+, K+, Cl-, HCO3-, HPO42-, H+), sofrendo substituições isomórficas em sua

estrutura. Os íons Ca2+ podem dar lugar, principalmente, a Na+ e Mg2+; os ânions fosfato a CO32- e HPO42-; e as hidroxilas a F-, Cl-, acarretando alterações na

cristalinidade, morfologia e parâmetros reticulares da hidroxiapatita e, conseqüentemente, em sua estabilidade [16-18].

Dessa forma, a presença de espécies “estranhas” que sejam introduzidas no corpo e, conseqüentemente, no fluido biológico pode provocar alterações nas

(23)

características da fase óssea inorgânica. Se estas alterações estiverem associadas a patologias ósseas, como é o caso de contaminações com alguns íons metálicos, elas constituem um problema grave [19].

Para os íons Zn2+, Sr2+ e Pb2+, que foram estudados e serão apresentados neste trabalho, existem referências na literatura que reportam os possíveis efeitos das interações entre estes íons e a fase inorgânica dos ossos, tanto com o objetivo de relacionar estas interações com patologias ósseas, como explorar benefícios destas interações no tratamento de doenças ósseas.

I - 3. 1. A Fase Óssea Inorgânica e os Íons Zn

2+

A precipitação da hidroxiapatita como o componente majoritário da fase mineral dos tecidos duros dos vertebrados é um processo complexo [20]. Estudos mostraram que, em solução aquosa, a hidroxiapatita pode ser formada diretamente, ou via um número de precursores formados por diferentes fosfatos de cálcio, dependendo do pH e composição iônica da solução precipitante [21].

Assim, a presença de macromoléculas biológicas ou traços de impurezas inorgânicas também parece influenciar a formação da fase mineral [22]. Foi provado que traços de íons, como Zn2+, substituem os íons Ca2+ no retículo cristalino da hidroxiapatita, diminuindo sua cristalinidade, enquanto íons como F -substituem as hidroxilas, originando minerais mais cristalinos [23].

Do ponto de vista da biologia ósseo-celular, o zinco é conhecido por promover a formação óssea, pela estimulação dos osteoblastos, que são as células que produzem a hidroxiapatita dos ossos [24, 25]. Implantes ósseos de fosfatos de cálcio dopados com zinco apresentam um efeito estimulante na formação dos ossos mas, em contrapartida, quantidades elevadas de zinco inibem o crescimento da hidroxiapatita dos ossos [26, 27].

Sauer e colaboradores [28] estudaram os efeitos de baixas concentrações de Zn2+ na formação da fase mineral em matrizes vesiculares, obtidas de

(24)

cartilagem epifiseal de crescimento, que foram incubadas em uma solução salina que simula a composição da linfa (uma vez que, nos seres vivos, a cartilagem epifiseal está em contato com a linfa). Os resultados revelaram que, durante a mineralização das matrizes vesiculares, uma fase mineral do tipo fosfato octacálcico (OCP) é a primeira fase cristalina a se formar que, subseqüentemente, continua a crescer e, mediante maturação, resulta na apatita biológica. A presença de Zn2+ em concentrações iguais ou maiores que 5 x 10-6 mol x L-1 , no entanto, inibe completamente a mineralização. Em concentrações mais baixas de Zn2+, as matrizes vesiculares se mostraram totalmente mineralizadas, porém a velocidade da maturação do mineral diminuiu. Assim, a fase mineral tipo OCP, observada inicialmente no processo de mineralização, parece ser estabilizada na presença de Zn2+ .

Kanzaki e colaboradores [27] realizaram medidas diretas da velocidade de crescimento da face c da hidroxiapatita, na presença de zinco, em soluções pseudofisiológicas. Foi constatada diminuição nas velocidades de crescimento da hidroxiapatita com o tempo, sendo esta diminuição mais acentuada quanto maior a concentração de zinco.

I - 3. 2. A Fase Óssea Inorgânica e os Íons Sr

2+

A osteoporose é uma doença caracterizada pela redução da massa óssea, provocando fragilidade e maior risco de fratura óssea que acomete, principalmente mulheres em período pós-menopausa [29]. Está associada à deficiência de estrógeno, que causa um desequilíbrio no processo de ressorção / formação dos ossos, e também à uma absorção ineficaz de cálcio pelo intestino [30]. O tratamento para osteoporose atualmente é feito a base de suplementação da dieta com cálcio e vitamina D, em adição ao tratamento com estrógeno, calcitonina, bifosfonatos, moduladores seletivos receptores de estrógeno (SERMs), ou fluoreto.

(25)

Estrógeno, bifosfonatos, SERMs e calcitocina reduzem a ressorção óssea,

enquanto o fluoreto estimula a formação óssea [31, 32].

Mais recentemente, outros tratamentos que estão sendo pesquisados incluem o ranelato de estrôncio, uma nova droga antiosteoporótica em potencial, composta de dois íons estrôncio ligado a uma parte orgânica (ácido ranélico) [29]. Os efeitos benéficos de baixas doses de estrôncio no tratamento de osteoporose foram reportados há cerca de meio século, mas confusões envolvendo seus isótopos estáveis (84Sr, 86Sr, 87Sr e 88Sr ) e seus isótopos radioativos (85Sr, 87mSr,

89_{Sr e}90_{Sr) resultaram, aos poucos, em seu desuso [33, 34].}

O estrôncio e o cálcio, ambos elementos alcalino terrosos, assemelham-se no fato de que, mais de 99 % de suas quantidades totais no corpo, se localizam nos ossos [29, 35]. Estudos in vitro mostraram que o estrôncio aumenta a replicação de células preosteoblásticas e estimula a formação óssea em células, além de comprovadamente diminuir a ressorção óssea in vitro [36, 37]. O tratamento a base de estrôncio, administrado na forma de cloreto ou ranelato de estrôncio durante 9-26 semanas, estimula a formação óssea e diminui a ressorção óssea em humanos e roedores, resultando num aumento de volume dos ossos, enquanto a mineralização permanece normal [37-41].

Um estudo do tratamento com ranelato de estrôncio em ratos, a longo prazo (dois anos), mostrou aumento de massa óssea e de resistência mecânica óssea, como uma resposta ao aumento da superfície óssea ocupada por células osteóides e osteoblastos, revelando um aumento no número de sítios de formação óssea [42, 43].

I - 3. 3. A Fase Óssea Inorgânica e os Íons Pb

2+

O chumbo se constitui na causa mais comum por envenenamento com metais pesados, e é um elemento que se acumula nos ossos, inclusive de indivíduos que nunca, conscientemente, estiveram expostos a ele [28, 44, 45]. O

(26)

tempo de residência do chumbo em ossos é de cerca de 40 anos e, portanto, sua quantidade na tíbia, por exemplo, reflete exposições acumulativas ao longo da vida, enquanto que sua quantidade em ossos trabeculares reflete exposições mais recentes a ele [46-48].

Experimentos realizados em culturas celulares sugerem que o chumbo interrompe a função dos osteoblastos, estando assim associado à incidência de osteoporose em décadas recentes [49]. Estudos mostram que a intoxicação de ratos com chumbo causa hiperparatireoidismo secundário associado com hipocalcemia e diminuição do nível de vitamina D [50]. Em outros experimentos, ratos que foram expostos a níveis de chumbo que podem ser encontrados no meio ambiente, apresentaram diminuição de densidade óssea, induzindo à sugestão de que a exposição ao chumbo pode ser considerada um fator de risco para osteopenia [51]. Pesquisas recentes revelaram que 92 % dentre 48 pessoas com a doença de Paget foram ocupacionalmente ou ambientalmente expostas ao chumbo [52].

Adachi e colaboradores [19] realizaram um trabalho para avaliar a associação entre a presença de chumbo no esqueleto e a ocorrência de doenças ósseas, comparando-se a concentração de chumbo medida nos ossos com a medida no soro de pacientes humanos apresentando doenças ósseas metabólicas. A concentração de chumbo nos ossos foi estimada em função da quantidade de chumbo no plasma, o tempo de exposição àquela concentração, e a velocidade de turnover (processo que envolve a ressorção e formação óssea).

Os resultados mostraram que não são verificadas diferenças entre as quantidades de chumbo presentes no esqueleto de pessoas saudáveis e de pessoas que sofrem de osteoporose. Desta forma, o trabalho sugere que não há associação significativa entre a quantidade de chumbo no esqueleto e a ocorrência de osteoporose e, portanto, o chumbo não pode ser considerado a causa desta doença.

No entanto, existe uma associação entre a quantidade de chumbo no esqueleto e a presença de doenças ósseas relacionadas a elevado turnover, como

(27)

a doença de Paget e a osteotite fibrosa. Esta observação é consistente com a sugestão de que a quantidade de chumbo nos ossos está relacionada com a velocidade de turnover. Ou seja, o maior turnover devido à doença óssea poderia disponibilizar chumbo dos ossos trabeculares que, assim, poderiam ser depositados em ambos ossos corticais e trabeculares. Os resultados do trabalho, em contrapartida, não excluem a possibilidade de que as elevadas taxas de chumbo em ossos corticais sejam as responsáveis pela indução da doença de Paget em outros locais do esqueleto, com subseqüente escape de chumbo de sítios com elevado turnover.

I - 4. Os Mecanismos de Adsorção de Zn

2+

, Sr

2+

e Pb

2+

em Hidroxiapatita

Os trabalhos envolvendo as interações entre íons metálicos e fosfatos de cálcio, principalmente a hidroxiapatita, atribuem estas interações à adsorção dos íons na HAP, explicando-a por três mecanismos:

I - 4. 1. Adsorção do Íon na Superfície da Hidroxiapatita

São considerados dois tipos de adsorção. A adsorção física, onde íons de carga oposta à da superfície de adsorção são atraídos por esta superfície, num processo regido por forças intermoleculares. E a adsorção química, onde a transferência e compartilhamento de elétrons ocorrem entre o adsorbato e o adsorvente, segundo proposto por Rosen [2].

Attia e Fuerstenau [53] mostraram que a HAP adquire carga superficial quando em contato com a água, por três mecanismos:

I - 4. 1. a.

a dissolução preferencial de íons do retículo cristalino para a solução. Diversos pesquisadores mostraram que a razão Ca / P, em mol, da dissolução da

(28)

hidroxiapatita não é necessariamente igual a 1,67, enquanto outros, como Fuerstenau, assumem que a dissolução de Ca2+ e P5+ é simultânea [54, 55].

I - 4. 1. b.

a presença de grupamentos superficiais que podem se ionizar ou adsorver íons H+ ou OH-.

I - 4. 1. c.

a adsorção de espécies iônicas presentes em solução.

Shimabayashi et al. [54] reportaram máximos valores de adsorção para íons com raios iônicos semelhantes ao do Ca2+_{na HAP, pois tais íons supostamente se}

encaixam nos sítios de adsorção formados por defeitos de Ca2+ na superfície da HAP.

I - 4. 2. Troca Iônica

A troca iônica ocorre pela substituição de íons Ca2+ da estrutura da hidroxiapatita pelo(s) íon(s) presente(s) em solução. A contribuição da troca iônica em um processo de adsorção pode ser estimada pelo monitoramento de Ca2+ presente na solução em equilíbrio com a HAP. Considerando-se a seguinte reação de troca iônica envolvendo íons Zn2+ [3]:

Ca10(PO4)6(OH)2(s) + n Zn2+(aq) = n Ca2+(aq) + Ca10 – n Znn(PO4)6(OH)2(s) Eq. 1

Pode-se observar que, para cada íon Ca2+ trocado, um íon Zn2+ é incorporado à estrutura da HAP. Portanto, se a razão entre a quantidade de íons Ca2+ em equilíbrio e a quantidade de íons Zn2+ (Ca / Zn) incorporado à HAP for igual a 1, tem-se um forte indício de que o processo de troca iônica é

(29)

predominante na adsorção. No entanto, se o cálculo da razão Ca / Zn for efetuado com base na concentração de Ca2+ determinadana solução em equilíbrio com a HAP, deve-se contemplar um termo que compense a quantidade de íons Ca2+ em equilíbrio na solução, devido ao processo de dissolução da HAP, que depende do pH da solução.

A equação apresentada a seguir mostra a maneira de se calcular a razão Ca / Zn. Sejam:

N Zn2+ = quantidade de íons Zn2+ adsorvidos

N Ca2+ = quantidade de íons Ca2+ em equilíbrio devido à troca iônica

N (pH) Ca2+ = quantidade de íons Ca2+ em equilíbrio devido à dissolução da HAP

N*Ca2+ = (N Ca2+ + N (pH) Ca2+ ) = quantidade total de íons Ca2+ em equilíbrio

A razão Ca / Zn, referente ao processo de troca iônica, é calculada por:

(Ca / Zn ) = [ (N*

Ca2+

- N (pH)

Ca2+

) / N

Zn2+

]

Eq. 2

Para que o mecanismo de troca iônica ocorra é necessário que o raio iônico do substituinte seja semelhante ao do íon Ca2+ na HAP, de forma a não deformar significativamente seus parâmetros reticulares. Saleeb e de Bruyn [55], estabeleceram que o íon substituinte deve apresentar um tamanho de raio iônico que difira de até 15 %, em relação ao valor do raio iônico do íon Ca2+ na HAP. Desta forma, poderiam substituir os íons Ca2+ da HAP, os íons cujos raios iônicos estivessem compreendidos entre 0,085 e 0,115 nm. Esta hipótese, no entanto, contradiz dados de diversos autores que atribuem o mecanismo de adsorção, por troca iônica em HAP, para íons cujos tamanhos estão fora destes limites.

(30)

A possibilidade de ocorrência do mecanismo de troca iônica de íons Ca2+ em hidroxiapatita dopada com íons Zn2+ foi avaliada no trabalho de Chassot e colaboradores [15]. Os autores verificaram que os modelos de troca iônica, por substituição de íons Ca2+ no sítio I, e de inserção de Zn2+ no interstício entre dois grupos OH estão de acordo com seus resultados experimentais, embora a precisão das análises feitas não permita mostrar de forma inequívoca por qual, dentre os dois modelos, ocorre a adsorção de Zn2+ em hidroxiapatita.

Para os íons Sr2+, um estudo realizado por Boivin e colaboradores [56], consistindo no tratamento de macacos com doses de ranelato de estrôncio por 13 semanas, mostrou que a adsorção de Sr2+ pela fase óssea inorgânica se dá pela troca iônica na superfície dos cristais e, em menor extensão, por troca iônica dentro do retículo cristalino. Neste caso, foi constatado que apenas um entre dez íons Ca2+ é substituído pelo íon Sr2+. A substituição por Sr2+ não produziu alterações significativas nos parâmetros do retículo cristalino da fase óssea, apesar do Sr2+_{apresentar raio iônico maior (Sr}2+_{= 1,13 Å) que do Ca}2+_{(0,99 Å), e}

também não foram constatadas alterações nas propriedades coesivas dos cristais dos minerais.

I - 4. 3. Dissolução da HAP Seguida da Precipitação de uma Nova

Fase

O mecanismo de dissolução de HAP seguido da precipitação de uma nova fase sólida contendo o íon metálico substituído, foi proposto por Ma e colaboradores [17], para explicar a adsorção de íons chumbo em HAP, e pode ser representado pelas equações:

Ca10(PO4)6(OH)2(s) + 14 H+(aq) = 10 Ca2+(aq) + 6 H2PO4-(aq) + 2 H2O(l) Eq. 3

10 Pb2+

(31)

Nos estudos realizados por Laperche e colaboradores [57], a aplicação das técnicas de difratometria de raios X e microscopia eletrônica de varredura a amostras de solo contaminado com chumbo, após adição de HAP, permitiu a identificação de partículas segregadas de hidroxipiromorfita (HP - Pb10(PO4)6(OH)2).

I - 5. Isotermas de Adsorção: os Modelos de

Freundlich e de Langmuir

Para as adsorções a partir de soluções, são comuns os ajustes das isotermas segundo os modelos de Langmuir ou de Freundlich.

Em 1918, Langmuir propôs um modelo, cuja equação para uma isoterma de adsorção foi derivada a partir de um modelo simples para superfície sólida. Para tal, assumiu as seguintes considerações: o sólido apresenta uma superfície homogênea; não há interação entre duas espécies adsorvidas; as espécies adsorvidas estão localizadas em sítios específicos; e apenas uma monocamada pode ser adsorvida [58]. O modelo de Langmuir para adsorções em solução é descrito pela Eq. 5 [59]:

n = ( K

L

x N x C

eq

) / (1 + K

L

x C

eq

)

Eq. 5

n = quantidade adsorvida em 1 g de adsorvente

Ceq = concentração de equilíbrio da solução de adsorbato

N = quantidade máxima de adsorbato por 1 g de adsorvente, correspondente à saturação do adsorvente (patamar)

KL = constante relacionada ao equilíbrio adsorbato / adsorvente, indicativa da

(32)

Os parâmetros da equação de Langmuir podem ser obtidos pela linearização da isoterma [59]:

( C

eq

/ n ) = [ C

eq

/ N + 1 / (K

L

x N) ]

Eq. 6

Embora o modelo de adsorção de Langmuir seja um dos modelos mais utilizados em trabalhos onde adsorções são estudadas, e represente bem os processos de adsorção, suas considerações são considerações ideais. A maioria dos sólidos não apresenta superfície uniforme, existe interação entre espécies adsorvidas, e há evidências experimentais e teóricas de que espécies adsorvidas podem se mover sobre a superfície.

Derivações da mecânica-estatística da isoterma de Langmuir foram feitas e resultaram no modelo de adsorção de Freundlich, que requer menos considerações que a derivação de Langmuir. Segundo a isoterma de Freundlich, o sólido (adsorvente) apresenta diferentes tipos de sítios de adsorção, cada um deles tendo diferentes energias de adsorção [58]. Outra diferença é que, enquanto a isoterma de Langmuir apresenta um limite máximo de adsorção (patamar) com o aumento da concentração de equilíbrio, a isoterma de Freundlich não atinge este patamar, para uma dada faixa de concentrações. A Eq. 7 representa o modelo de Freundlich para adsorções a partir de soluções [59]:

n = K

F

x C

eqc Eq. 7

n = quantidade de adsorbato adsorvida em 1 g de adsorvente Ceq = concentração de equilíbrio da solução de adsorbato

KF = constante relacionada ao equilíbrio adsorbato / adsorvente, indicativa da

afinidade entre estas espécies c = constante

(33)

A equação de Freundlich pode ser determinada através da linearização da isoterma, como mostra a Eq. 8 [59]:

log n = [ log K

F

+ ( c x log C

eq

) ]

Eq. 8

Neste projeto de Mestrado, as interações dos íons metálicos Zn2+, Sr2+ e Pb2+ com fosfatos de cálcio sintéticos e fase inorgânica dos ossos foram estudadas do ponto de vista físico-químico e quantitativo, em condições experimentais que reproduzem aproximadamente condições fisiológicas como temperatura, força iônica e pH, sendo interpretadas segundo os modelos de Langmuir e Freundlich.

(34)

Capítulo II - OBJETIVOS

O desenvolvimento deste trabalho de Mestrado foi motivado pelo interesse em se avaliar as interações entre fosfatos de cálcio sintéticos e fase óssea inorgânica e os íons Zn2+, Sr2+ e Pb2+, através de isotermas de adsorção obtidas em condições que reproduzem aproximadamente as condições fisiológicas. Para tanto, os objetivos que se seguem constituíram este trabalho:

- obtenção dos materiais adsorventes: fosfatos de cálcio, através de sua síntese por precipitação, e fase óssea inorgânica, extraída de ossos de ratos wistar;

- caracterização dos materiais adsorventes pela razão Ca / P, difratometria de raios X e espectroscopia na região do infravermelho;

- determinação das isotermas de adsorção de cada um dos íons, Zn II, Sr II e Pb II, nos diferentes materiais adsorventes, em diferentes valores de pH. Para a fase óssea inorgânica, determinação da quantidade de Ca II em equilíbrio após o processo de adsorção;

- interpretação das isotermas de adsorção segundo os modelos de Freundlich e de Langmuir;

- avaliação dos possíveis mecanismos de adsorção para os íons estudados;

(35)

Capítulo III - PARTE EXPERIMENTAL

Neste capítulo, serão descritos as formas de obtenção e caracterização dos fosfatos de cálcio estudados e os procedimentos para a obtenção das isotermas de adsorção.

Os reagentes que foram utilizados estão listados na Tab. 2, na qual a fórmula, pureza e procedência dos mesmos são informadas. Os materiais volumétricos empregados, como os balões volumétricos de 5,00; 10,00; 25,00 e 50,00 mL foram devidamente calibrados e, as pipetas automáticas ( de 1 a 5 mL e 200 a 1000 µL), aferidas quinzenalmente. As especificações dos demais equipamentos, como os instrumentos de análise, pHmetro e câmara de agitação serão apresentadas no próprio texto onde estes equipamentos são citados.

Tab. 2: Lista e descrição dos reagentes utilizados no desenvolvimento deste trabalho.

Fórmula Nome Especificação Marca

CaCO3 Carbonato de cálcio - J. T. Baker

CaHPO4 Monohidrogeno fosfato

de cálcio

98,4 % J. T. Baker

N2H4 . H2O Hidrato de hidrazina 60 % Aldrich

CH3CH2OH Etanol PA-ACS 99,5 % Synth

HNO3 Ácido nítrico PA-ACS 64 – 66 % Synth

KH2PO4 Dihidrogeno fosfato de

potássio

(36)

Zn(NO3)2 .6 H2O Nitrato de zinco hexahidratado PA Synth SrCl2 . 6 H2O Cloreto de estrôncio hexahidratado ∼ 95 % Fluka Chemika Pb(NO3)2 Nitrato de chumbo II PA-ACS 99 % CAAL

NaNO3 Nitrato de sódio PA-ACS QEEL

NH4OH Hidróxido de amônio PA min. 25 % Merck

Zn Zinco metálico PA min. 85 % Carlo Erba

KOH Hidróxido de potássio PA-ACS min. 85 % Nuclear

III - 1. Obtenção dos Fosfatos de Cálcio

III -

1. 1. Síntese por Precipitação

O método de síntese utilizado foi baseado no trabalho realizado por Morgan e colaboradores, para obtenção de hidroxiapatita (HAP) [60]. Em um béquer, foi preparada uma suspensão de carbonato de cálcio (CaCO3) e monohidrogeno

fosfato de cálcio (CaHPO4) em água deionizada, em uma proporção tal que a

razão Ca/P igual a 5 / 3, correspondente à da HAP, fosse obtida. A suspensão foi mantida em repouso por 72 h em estufa, à temperatura de 90 °C, sendo feitas agitações esporádicas.

Após este período, o sólido resultante foi separado da fase líquida através de decantação, submetido a cinco lavagens com água deionizada e a aquecimento a 400 °C, por 3 horas em mufla.

Durante o desenvolvimento deste projeto, foram realizadas duas sínteses e seus produtos serão designados por HAP – 1 (1ª síntese) e HAP – 2 (2ª síntese).

(37)

III - 1. 2. Extração de Fase Óssea Inorgânica

Inicialmente, fêmures e calotas cranianas de 26 ratos wistar cedidos pelo CEMIB – UNICAMP foram dissecados. A seguir, foram fragmentados após imersão em nitrogênio líquido, para proporcionar maior exposição da matéria orgânica ao tratamento.

Para a digestão da parte orgânica, os ossos foram tratados com hidrazina, de forma semelhante à reportada por Termine e colaboradores [61]. O material lavado com soluções de etanol e água foi seco ao ar, triturado e passado por peneira para análise granulométrica com abertura de 0,25 mm. A fase óssea inorgânica extraída foi denominada por HAP-R.

III - 2. Caracterização dos Fosfatos de Cálcio

III - 2. 1. Razão Ca / P

A razão Ca / P foi determinada aplicando-se a técnica de espectroscopia de emissão ótica por plasma (ICP-OES), utilizando-se o instrumento Perkin-Elmer 3000 DV.

Para a determinação da razão Ca / P, cerca de 50 mg do fosfato de cálcio seco foram dissolvidos em balão volumétrico de 25,00 mL pela adição de 200 µL de ácido nítrico concentrado. 750 µL da solução resultante foi diluída em balão volumétrico de 10,00 mL, antes de ser analisada. Para as amostras de HAP-R, após a dissolução no balão volumétrico de 25,0 mL, foi efetuada uma filtração, em papel de filtro, para a remoção de resíduos não digeridos pelo tratamento com hidrazina. As concentrações de Ca e de P nas soluções foram determinadas a partir de curvas analíticas preparadas com os padrões carbonato de cálcio (CaCO3), para o cálcio e dihidrogeno fosfato de potássio (KH2PO4), para o fósforo.

(38)

III - 2. 2. Difração de Raios X

Os difratogramas de raios X das amostras em pó de HAP-1, HAP-2, HAP-R e de CaCO3, e CaHPO4 foram gerados no instrumento Shimadzu DRX – 6000,

utilizando fonte de radiação Cu Kα (λ = 1,5418 Å), nas condições de voltagem de 40 kV, corrente de 30 mA e varredura de 2 º min-1.

III - 2. 3. Espectroscopia na Região do Infravermelho

Os espectros de infravermelho foram obtidos em pastilha de KBr, no instrumento FTIR B-100, MB-Series, Bomem. Foram analisadas as amostras de HAP-1, HAP-2, CaCO3 e CaHPO4 com 16 acumulações e resolução de 4 cm-1 e,

as amostras de HAP – R, com 256 acumulações e resolução de 4 cm-1.

III - 3. Determinação das Isotermas de Adsorção

III - 3. 1. a. Isotermas de Adsorção em HAP-1 e HAP-2

As isotermas de adsorção foram determinadas utilizando-se cerca de (200 ± 0, 1) mg de HAP e 5,00 mL da solução do íon metálico (Zn2+, Sr2+ ou Pb2+), cuja força iônica foi ajustada em 0,9 % m / v pela adição de NaNO3. O pH das soluções

foi ajustado (5,0; 5,5; 6,0 e 6,5), mediante adição de solução diluída de hidróxido de amônio (NH4OH) ou de ácido nítrico (HNO3), utilizando-se um pHmetro (B-474,

Micronal).

Após o ajuste de pH, as soluções foram adicionadas sobre as amostras de HAP, e as suspensões foram mantidas em frascos fechados, em uma incubadora (incubadora shaker MA 420 – Marconi) a 37º C, por 24 horas, com agitação

(39)

constante de 30 rpm. Após este período, os conteúdos dos frascos foram submetidos à centrifugação de 3000 rpm, por 10 minutos, para separação das fases sólida e líquida (sobrenadante). Os valores de pH dos sobrenadantes foram medidos utilizando-se papel indicador universal (escala de 0 a 14), não sendo observadas variações significativas de pH após os processos de adsorção.

III - 3. 1. b. Isotermas de Adsorção em HAP-R

Na obtenção das isotermas de adsorção em HAP-R foram utilizados cerca de (100 ± 0, 1) mg de HAP-R aos quais foram adicionados 2,50 mL de solução de adsorbato (soluções contendo íons Zn2+ _{ou Sr}2+_{ou Pb}2+_{), nas mesmas condições}

de força iônica e de pH descritas em III. 3. A. 1. A proporção massa de adsorvente / volume de adsorbato foi mantida igual à usada para HAP-1 e HAP-2.

Na obtenção das isotermas de adsorção em HAP-R, foram verificadas variações de pH maiores que as observadas para as adsorções em 1 e HAP-2. Por esta razão, as adsorções em HAP-R foram conduzidas, de forma análoga às adsorções em HAP-1 e HAP-2, com e sem o monitoramento e ajuste de pH ao longo da adsorção.

Para as adsorções onde foi efetuado o ajuste de pH, 160 µL do indicador de Arrhenius, descrito no Apêndice 2, foram adicionados às soluções de adsorbato, cuja força iônica e pH inicial foram previamente ajustados. Os ajustes de pH foram efetuados pela adição de solução de HNO3 a 5 %, imediatamente, 8 horas e 21

horas após a adição do adsorbato à HAP-R. Os volumes totais de solução de ácido nítrico gastos para a realização destes ajustes de pH foram cerca de 50 µL.

Após o período de 24 horas, em que as suspensões foram mantidas em frascos fechados, a 37º C, por 24 horas, sob agitação constante de 30 rpm, as fases sólida e líquida (sobrenadante) dos frascos foram separadas por centrifugação, assim como foi feito para HAP-1 e HAP-2.

(40)

Um experimento para a determinação da cinética de adsorção de Sr2+ em HAP-R, para pH = 6,0 (monitorado e ajustado ao longo da cinética) foi realizado, para se avaliar o tempo suficiente para que a adsorção atingisse o equilíbrio.

III - 3. 2. a. Quantificação dos Íons Zn

2+

, Sr

2+

, Pb

2+

e Ca

2+

A quantificação dos íons Zn2+, Sr2+ e Pb2+ foi conduzida pela análise dos sobrenadantes amostrados após as adsorções, para as HAP-1, HAP-2 e HAP-R, e também pela análise direta dos sólidos após as adsorções, para as 1 e HAP-2. A determinação dos íons Ca2+ _{foi efetuada através da análise dos}

sobrenadantes, apenas para as adsorções em HAP-R. As técnicas empregadas em tais determinações estão citadas na Tab. 3.

III - 3. 2. a. 1. Preparação das Amostras dos Sobrenadantes

Para a análise dos sobrenadantes, as alíquotas retiradas após o processo de centrifugação, empregando-se pipetas automáticas ( 1 - 5 mL e de 200 - 1000 µL), foram diluídas em solução 2 % de HNO3, em balões volumétricos. O mesmo

procedimento foi adotado na determinação das concentrações iniciais das soluções de adsorbato.

III - 3. 2. a. 2. Preparação das Amostras dos Sólidos

Na análise direta dos sólidos, depois do processo de separação das fases líquida e sólida, e retirada da alíquota do sobrenadante, os conteúdos dos tubos foram submetidos à filtração comum e à lavagem. Para tal, após a transferência do sólido, cada frasco utilizado foi lavado com duas porções de água deionizada, de 5 mL cada uma. Após o escoamento do líquido do funil, o sólido retido pelo

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papel de filtro foi lavado com duas porções de 10 mL de água deionizada. Os sólidos foram secos, juntamente com o papel de filtro, em estufa a 90 ºC, durante 24 h e, a seguir, aproximadamente 150 ± 0,1 mg foram dissolvidos em balões de 5,00 mL, por adição de 300 µL de HNO3 concentrado.

III - 3. 2. b. Técnicas Analíticas

As técnicas de análise empregadas neste trabalho foram: titulação complexométrica, espectroscopia de absorção atômica (AA), fluorescência de raios X (FRX) e espectroscopia de emissão ótica por plasma indutivamente acoplado (ICP-OES).

Porém, dificuldades decorrentes das próprias condições experimentais para a determinação das isotermas de adsorção, limitaram a aplicação das técnicas de titulação complexométrica e espectroscopia de absorção atômica, na quantificação dos íons Zn2+, Sr2+, Pb2+ e Ca2+. Estas dificuldades, bem como os aspectos relevantes destas técnicas e os resultados através delas obtidos, são reportados e discutidos no Apêndice 3.

III - 3. 2. b. 1. Fluorescência de Raios X (FRX)

As análises empregando-se a técnica de FRX foram realizadas no instrumento EDX – 700 (Energy Dispersive X-Ray Spectrometer), da Shimadzu.

Para cada amostra, foram analisados 2,00 mL de solução, durante um tempo de aquisição de sinal de 200 s. As quantificações dos íons foram feitas a partir de curvas analíticas (Apêndice 1), empregando-se como padrões das soluções: zinco metálico (para Zn2+); nitrato de chumbo II anidro (para Pb2+) e monohidrogeno fosfato de estrôncio (para Sr2+).

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III - 3. 2. b. 2. Espectroscopia de Emissão Ótica por Plasma

Indutivamente Acoplado (ICP-OES)

As medidas por ICP-OES foram realizadas com o instrumento Perkin-Elmer 3000 D V. As curvas analíticas foram obtidas empregando-se os mesmos padrões de Zn2+_{, Sr}2+_{e Pb}2+_{descritos para a técnica de FRX (Apêndice 1). Para os íons}

Ca2+_{, foi utilizado carbonato de cálcio como padrão.}

A Tab. 3 mostra em quais determinações, no sobrenadante e no sólido as técnicas de FRX e de ICP-OES foram empregadas.

Tab. 3: Técnicas empregadas nas determinações quantitativas de íons. Adsorvente (pH)

_{Material para}

Análise

Íons Técnica HAP-1 (pH = 5,5) Sobrenadante Zn2+, Sr2+ FRX HAP-1 (pH = 6,5) Sobrenadante e Sólido Zn2+, Sr2+I FRX HAP-2 (pH = 6,0) Sobrenadante e Sólido Zn2+, Sr2+ FRX HAP-2 (pH = 5,0 e 5,5) Sobrenadante e Sólido Pb2+ FRX HAP-R (pH = 5,0

sem controle) Sobrenadante

Zn2+, Sr2+, Pb2+ e Ca2+

ICP-OES

HAP-R (pH = 5,0 e

6,0 com controle) Sobrenadante

Zn2+, Sr2+, Pb2+ e Ca2+

(43)

Capítulo IV - RESULTADOS E DISCUSSÃO

IV - 1. Caracterização dos Fosfatos de Cálcio

IV - 1. 1. Determinação da Razão Ca / P

Para os três materiais adsorventes, HAP-1, HAP-2 e HAP-R, as medidas de concentrações de Ca e P foram feitas nas mesmas amostras:

Tab. 4: Resultados das razões Ca / P das três amostras de HAP.

HAP (CCa x 103 ) / (mol L-1) (CP x 103 ) / (mol L-1) Ca / P

1 1,5 ± 0,1 1,0 ± 0,05 1,5 ± 0,1

2 1,5 ± 0,1 0,98 ± 0,05 1,5 ± 0,1

R 0,96 ± 0,07 0,66 ± 0,03 1,5 ± 0,1

A razão Ca / P da hidroxiapatita [Ca10(PO4)6(OH)2] é de 1,67. Porém, os

fosfatos de cálcio presentes na fase óssea inorgânica dos mamíferos, que sofrem substituições isomórficas, apresentam razões Ca / P variáveis e, muitas vezes, diferentes de 1,67. A principal substituição encontrada nos fosfatos de cálcio que constituem a fase óssea inorgânica, quando comparados à HAP, é de ânions fosfato por carbonato, sendo esta substituição responsável por uma quantidade de carbonato que pode representar até cerca de 7 % da massa da fase óssea inorgânica [61].

Os resultados obtidos mostram que os valores de razão Ca / P para os três materiais estudados neste trabalho são iguais a 1,5 e apresentam um desvio de 9%.

(44)

IV - 1. 2. Difração de Raios X

A Fig. 1 mostra os difratogramas das amostras de HAP 1, 2 e R e de CaHPO4 e CaCO3, para 5º < 2θ < 50º.

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 CaHPO₄ CaCO₃ HAP-2 HAP-1 HAP-R 2 θ / graus

Fig. 1: Difratogramas de raios X de HAP 1, 2 e R e de CaCO3 e CaHPO4.

Os principais picos de difração de raios X da hidroxiapatita (JCPDS), e suas respectivas intensidades, são mostrados na Tab. 5, enquanto na Fig. 2 são apresentados os difratogramas de raios X das três amostras de HAP, para a região de 25º < 2θ < 35º.

Tab. 5: Picos característicos da HAP (JCPDS) com intensidades relativas a partir de 20 %. Pico 2 θ / Graus Intensidade Relativa / % Pico 2 θ / Graus Intensidade Relativa / % 31,8 100 46,8 30 32,2 60 34,0 25 33,0 60 29,0 20 26,0 40 39,8 20 49,5 40 48,0 20

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26 28 30 32 34 0 HAP-R HAP-2 HAP-1 2 θ / graus

Fig. 2: Difratogramas de raios X de HAP 1, 2 e R, para 25º < 2θ < 35º.

Os compostos carbonato de cálcio e monohidrogeno fosfato de cálcio foram utilizados na síntese das HAP 1 e 2. Seus picos mais intensos no difratograma da Fig. 1 estão localizados em 2θ = 29,5º e 2θ = 26,5º para CaCO3 e CaHPO4,

respectivamente. Para as amostras de HAP 1 e 2, os difratogramas da Fig. 1 não apresentam picos coincidentes com os picos mais intensos de CaHPO4. No

entanto, para as amostras de HAP-1 e de HAP-R podem ser observados picos de difração de intensidades reduzidas, e próximos de 2θ = 29,5º, sugerindo que estas HAP possam conter CaCO3 em sua constituição. No caso de HAP 1 e 2, a

presença de carbonato de cálcio pode ser conseqüência da reação incompleta em sua síntese. Para HAP-R tem sido reportado [16] que íons carbonato tomam parte na constituição da fase óssea inorgânica.

Com base na resolução e largura dos picos dos difratogramas da Fig. 2, e considerando-se que a técnica de raios X foi aplicada qualitativamente, pode-se inferir que os cristais da HAP-2 apresentam-se mais bem formados e maiores que os cristais da HAP-1 que, por sua vez, são mais bem formados e maiores que os

(46)

cristais da HAP-R. Isto está de acordo com o fato da fase óssea inorgânica ser caracterizada por uma cristalinidade reduzida à difração de raios X e pelo tamanho submicrométrico de suas partículas [10].

Os picos mais intensos da hidroxiapatita em 2θ = 26,0; 31,8; 32,2 e 33,0, estão presentes nas amostras de HAP-1 e HAP-2. Na amostra de HAP-R, as regiões em 2θ ~ 26° e 31º < 2θ < 33º exibem um perfil de bandas de difração pouco intensas.

No entanto, o difratograma da HAP-1 mostra picos em 2θ = 28,0º e 31,2º que podem indicar a presença de β-fosfato tricálcico (α-Ca3(PO4)2). No

difratograma da HAP-2, são observados picos em 2θ = 28,3º e 34,2º que podem estar associados à presença do α-fosfato tricálcico, cuja intensidade em 2θ = 34,2º é de 50 %, embora o pico deste composto com intensidade de 100 %, em 2θ = 30,8º, não possa ser identificado nos difratogramas.

IV - 1. 3. Espectroscopia na Região do Infravermelho

Na Fig. 3 são exibidos os espectros na região do infravermelho das amostras de HAP-1, HAP-2 e HAP-R, de CaCO3 e de CaHPO4, obtidos em

pastilha de KBr, para a região de 4500 a 450 cm-1. Na Fig. 4, que se segue, são mostrados os mesmos espectros das HAP, porém dando-se ênfase à região entre 1800 e 450 cm-1, que é a principal região de caracterização da hidroxiapatita.

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4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 HAP-2 HAP-R CaHPO₄ CaCO₃ HAP-1 nº de onda / cm-1

Fig. 3: Espectros de IV (450 a 4500 cm-1), em pastilha de KBr, para HAP 1, 2 e R, e CaCO3 e CaHPO4.

1750 1500 1250 1000 750 500 PO₄3- e HPO₄2- PO4 3-CO 3 2-H - O - 2-H CO₃ 2-HAP-R HAP-1 HAP-2 nº de onda / cm-1

Fig. 4: Espectros de IV (450 a 1800 cm-1), em pastilha de KBr, para HAP 1, 2 e R.

Os espectros das três HAP apresentam bandas de absorção na região de 1000 a 1200 cm-1_{, também presentes no espectro do monohidrogeno fosfato de}

cálcio. Esta região corresponde tanto à absorção dos grupos fosfato quanto dos grupos monohidrogeno fosfato [62]. Na fase óssea inorgânica, os grupos HPO4

(48)

2-podem substituir os grupos fosfato que, por sua vez, estão exclusivamente presentes na estrutura da hidroxiapatita.

A região de ~ 550 a 650 cm-1, é característica de grupos fosfato [62], e está presente nos espectros das três amostras de HAP. A presença do grupo fosfato pode indicar também que, além de compostos semelhantes à hidroxipatita, nas amostras, podem existir outros fosfato de cálcio que o contenham, como por exemplo, fosfato tricálcico.

Em 870 cm-1 e na região entre 1400 e 1500 cm-1, estão localizadas as absorções características do grupo carbonato [62], conforme pode ser observado pelo espectro do carbonato de cálcio, Fig. 3. As três HAP apresentam estas regiões de absorção em seus espectros. Embora os espectros de infravermelho obtidos forneçam informações predominantemente qualitativas, uma avaliação da proporção entre as intensidades da banda em ~ 1450 cm-1 e a banda mais intensa dos espectros das HAP sugere que a HAP-R é a mais rica em carbonato, seguida pela HAP-1 e, por último, pela HAP-2.

A absorção em ~ 1650 cm-1_{, observada no espectro da HAP-R, é devida à}

deformação da ligação H–O–H de água livre, presente na amostra como umidade [62].

As caracterizações dos materiais adsorventes denominados por HAP-1, HAP-2 e HAP-R, por razão Ca / P, difratometria de raios X e espectroscopia na região do infravermelho, mostram que as amostras não são constituídas exclusivamente por hidroxiapatita, mas também por outros fosfatos de cálcio e carbonato de cálcio.

IV - 2.

Isotermas de Adsorção

As isotermas de adsorção a partir de soluções representam a variação da quantidade da espécie adsorvida, denominada n, em função da concentração de equilíbrio da solução de adsorbato (Ceq).