CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA –DEM
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM
PRISCILA FERRAZ FRANCZAK
SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE BIOCIMENTOS DE FOSFATOS DE CÁLCIO PARA USO NA REPARAÇÃO DO
TECIDO ÓSSEO
PRISCILA FERRAZ FRANCZAK
SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE BIOCIMENTOS DE FOSFATOS DE CÁLCIO PARA USO NA REPARAÇÃO DO
TECIDO ÓSSEO
Dissertação de mestrado apresentada ao Programa de Pós Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM da Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC (CCT), como requisito parcial para obtenção do título de mestre em Ciência e Engenharia de Materiais.
Orientador: Prof. Dr. Nelson Heriberto Almeida Camargo.
F826s Franczak, Priscila Ferraz
Síntese e caracterização de biocimentos de fosfatos de cálcio para uso na reparação do tecido ósseo / Priscila Ferraz Franczak. – 2014.
120 p. : il. ; 21 cm
Orientador: Nelson Heriberto Almeida Camargo Bibliografia: p. 111-120
Dissertação (mestrado) – Universidade do Estado de Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas, Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais, Joinville, 2014.
1. Ciência dos Materiais. 2. Cerâmica. 3. Biocimentos. 4. Fosfatos de cálcio. I. Camargo, Nelson Heriberto Almeida. II. Universidade do Estado de Santa Catarina. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais. III. Título
PRISCILA FERRAZ FRANCZAK
SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE BIOCIMENTOS DE FOSFATOS DE CÁLCIO PARA USO NA REPARAÇÃO DO
TECIDO ÓSSEO
Dissertação de mestrado apresentada ao Programa de Pós Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM da Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC (CCT), como requisito parcial para obtenção do título de mestre em Ciência e Engenharia de Materiais.
Banca Examinadora:
Orientador: _____________________________________ Prof. Dr. Nelson Heriberto Almeida Camargo UDESC – CCT
Membro: _____________________________________ Prof. Dr. João César Zielak
Universidade Positivo/PR
Membro: _____________________________________ Prof. Dra. Márcia Margarete Meier
UDESC – CCT
Membro: _____________________________________ Prof. Dr. Enori Gemelli
UDESC – CCT
AGRADECIMENTOS
Agradeço a 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.
Ao Centro de Ciências Tecnológicas - CCT e ao Departamento de Engenharia Mecânica pela infraestrutura oferecida.
A CAPES pela bolsa de estudo concedida.
Ao Prof. Dr. Camargo, por ter acreditado no meu trabalho e por ter cobrado e dado o incentivo necessário para eu crescer e evoluir como pessoa e como acadêmica.
A todos os professores do PGCEM pelo conhecimento que me foi passado e ao Prof. Dr. Evandro pelo incentivo a começar o trabalho.
Aos amigos da UDESC: Cleomar Copatti, Daiara Floriano da Silva, Eliakim Emanuel de Borba, Gisele Maria Leite Dalmônico, Heloíza Döering Gasparim, Lais Passoni, Pricyla Correa, Mônica Schneider, Nelson Levandowski Jr., que percorreram essa jornada comigo, sempre dispostos a ajudar e incentivar.
Aos amigos Diogo Guedes de Figueiredo e Josiano Godoi, pelo apoio na caminhada.
Aos bolsistas dos laboratórios do CCT que contribuíram para a obtenção dos resultados dessa pesquisa.
“Até agora os filósofos se preocuparam em interpretar o mundo de várias formas. O que importa é transformá-lo”.
RESUMO
FRANCZAK, Priscila Ferraz. Síntese e caracterização de biocimentos de fosfatos de cálcio para uso na reparação do tecido ósseo, 2014. 120 p. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais – Área: Cerâmica) – Universidade do Estado de Santa Catarina. Programa de Pós Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Joinville, 2014.
Os biocimentos de fosfato de cálcio são biomateriais que apresentam características cristalográficas semelhantes as da estrutura do esqueleto humano, sendo utilizados em aplicações biomédicas na reparação de defeitos, reconstrução óssea e fixação de implantes. São promissores por apresentarem facilidade de moldagem, boa molhabilidade, hidratação e capacidade de endurecimento durante sua aplicação em meios biológicos. O interesse pelos biocimentos de fosfatos de cálcio está associado às características de bioatividade, biocompatibilidade e semelhança cristalográfica com a apatita óssea. Esse trabalho teve como objetivo a elaboração e caracterização de pós nanoestruturados de fosfatos de cálcio hidratados nas razões Ca/P = 1,5; 1,55; 1,6; 1,67; 1,7 molar e composições bifásicas com 1% de MgO e 5% de Al2O3-α. Estes posteriormente foram tratados a temperatura de 1300ºC/2h fornecendo os biocimentos. As investigações foram realizadas através da microscopia eletrônica de varredura (MEV), difratometria de raios-X (DRX), análise do tamanho de partícula pelo método teórico de Scherrer e pelo método de difração a laser. A espectroscopia de infravermelho e a análise por fluorescência de raios X serviram de apoio na avaliação química. Constatou-se nos resultados obtidos que os biocimentos são formados por morfologias de finos fragmentos de cristais de fosfatos de cálcio. Outra observação foi que a presença de uma segunda fase inibiu a coalescência dos cristais de fosfatos de cálcio durante o tratamento térmico, levando a formação de finos cristais, favorecendo o aumento da área superficial do biocimento. Nos testes de hidratação as composições bifásicas mantiveram a microporosidade e apresentaram a formação de gel nos contornos dos cristais, indicando que as composições bifásicas são promissoras como biomaterial de substituição e ancoragem em aplicações biomédicas.
ABSTRACT
FRANCZAK, Priscila Ferraz. Synthesis and characterization of calcium phosphates biocements for use in bone tissue repair, 2014. 120 p. Dissertation (Masters in Science and Materials Engineering - Area: Pottery) - Universidade do Estado de Santa Catarina. Materials Engineering and Science Program, Joinville, 2014.
Calcium phosphate biocements are biomaterials that present similar crystallographic structure to the human skeleton, and they are used in biomedical applications, particularly in defects repair, bone reconstruction and attachment of implants. They are promising in biomedical applications by their easy molding, good wettability, hydration and hardening ability during their application in biological means. Interest in calcium phosphate biocements is associated with properties of bioactivity, biocompatibility and crystallographic similarity to bone apatite. This study aimed at the preparation and characterization of hydrated calcium phosphates nanostructured powders in the ratios Ca/P = 1.5; 1.55; 1.6; 1.67; 1.7 molar and biphasic compositions with 1% MgO and 5% Al2O3-α. These powders were treated at 1300ºC/2h, providing biocements. Investigations were performed by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), particle size analysis by the Scherrer theoretical method and the laser diffraction method. Infrared spectroscopy and chemical analysis served as a support. It was found about the obtained results that biocements are formed by fine morphologies of calcium phosphate crystal fragments. Another observation was that the presence of second phase inhibited calcium phosphate crystals coalescence during heat treatment, leading to fine crystals formation, favoring the increase of biocement surface area. Biphasic compositions hydration tests manteined microporosity and gel formation at the crystals edges, indicating that biphasic compositions are promising as biomaterial replacement and anchoring in biomedical applications.
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
Å – Angstrom Al2O3 – alumina
Ca/P – razão cálcio/fósforo Ca10(PO4)6(OH)2 –
hidroxiapatita estequiométrica Ca3(PO4).H2O – fosfato de cálcio hidratado
CaCO3 – carbonato de cálcio CaHPO4 – monetita
CaO – óxido de cálcio CaPO3(OH).2H2O – brushita cm-1– centímetros-1
CO2– grupamento dióxido de carbono
CO32- – grupamento carbonato DCP – mono-hidrogênio fosfato de cálcio
DCPD – mono-hidrogênio fosfato de cálcio dihidratado DRX – difração de Raios X FTIR – Infravermelho por Transformada de Fourier g – grama
H2O – água
H3PO4 – ácido fosfórico HA – hidroxiapatita
HPO42- – grupamento hidrogeno fosfato
IHA – intensidade do pico principal do DRX da composição hidroxiapatita ITCP – intensidade do pico principal do DRX da composição de fosfato tricálcico.
JCPDS – Joint Committee on Powder Diffraction Standards
kV – Kilovolt mA – miliampère
MCPM – fosfato monocálcico mono-hidratado
MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO GERAL ... 21
PARTE 1 - REVISÃO LITERÁRIA ... 25
1.1 NANOTECNOLOGIA ... 27
1.2 BIOMATERIAIS ... 28
1.3 BIOCERÂMICAS... 29
1.4 BIOCIMENTOSDEFOSFATODECÁLCIO ... 30
1.5 SÍNTESEDEFOSFATOSDECÁLCIOHIDRATADOS ... 33
1.6 TIPOSDEBIOCIMENTOS ... 36
1.6.1 Biocimentos de hidroxiapatita ... 38
1.6.2 Biocimentos de brushita ... 40
1.6.3 Biocimentos Bifásicos ... 40
1.7 CARACTERÍSTICASDOSBIOCIMENTOS ... 42
1.7.1 Hidratação e Pega ... 42
1.7.2 Solubilidade dos Fosfatos de Cálcio ... 44
1.8 APLICAÇÕESBIOMÉDICAS ... 46
CONCLUSÃO ... 47
PARTE 2 - MÉTODO EXPERIMENTAL ... 49
INTRODUÇÃO ... 51
2.1CARACTERÍSTICASDASMATÉRIAS-PRIMAS ... 51
2.1.1 Carbonato de cálcio (CaCO3) ... 51
2.1.2 Ácido Fosfórico (H3PO4) ... 51
2.1.3 Óxido de Magnésio (MgO) ... 51
2.1.4 Alumina-α (Al2O3-α) ... 52
2.1.5 Fosfato dissódico (Na2HPO4) ... 52
2.2 MÉTODO DE SÍNTESE DO PÓ DE FOSFATO DE CÁLCIO HIDRATADO ... 52
2.3 TRATAMENTO TÉRMICO PARA OBTENÇÃO DO BIOCIMENTO ... 53
2.4 HIDRATAÇÃO ... 54
2.5 TÉCNICASDECARACTERIZAÇÃO ... 55
2.5.1 Monitoramento do pH ... 55
2.5.2 Caracterização Morfológica e Microestrutural (MEV) ... 55
2.5.3 Caracterização Cristalográfica por Difração de Raios X –
2.5.4 Análise do Tamanho de Cristais particulados pelo Método
Teórico de Scherrer ... 56
2.5.5 Análise do Tamanho de Partícula por Difração à Laser . 57 2.5.6 Caracterização Química por Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR) ... 57
2.5.7 Análise Química por EDS ... 57
PARTE 3 - RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 59
INTRODUÇÃO ... 61
3.1 CARACTERÍSTICASDASMATÉRIAS-PRIMAS ... 63
3.1.1 Carbonato de cálcio (CaCO3) ... 63
3.1.2 Óxido de Magnésio (MgO) ... 64
3.1.3 Alumina-α (Al2O3-α) ... 65
3.2 MEDIDASDOVALORDO PHDASSUSPENSÕESCOLOIDAIS 66 3.3 CARACTERIZAÇÃO MORFOLÓGICA E MICROESTRUTURAL(MEV) ... 67
3.3.1 Hidratação dos Biocimentos de Fosfatos de Cálcio ... 73
3.3.2 Hidratação dos Biocimentos Bifásicos ... 76
3.4 CARACTERIZAÇÃO CRISTALOGRÁFICA POR DIFRAÇÃO DERAIOSX ... 78
3.5 ANÁLISE DO TAMANHO DE PARTÍCULA PELO MÉTODO TEÓRICODESCHERREREPORDIFRAÇÃOÀLASER ... 93
3.6 CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA POR ESPECTROSCOPIA DE INFRAVERMELHO POR TRANSFORMADA DE FOURIER (FTIR) 97 3.7 ANÁLISEQUÍMICAPOREDS ... 106
CONCLUSÃO ... 108
CONSIDERAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 110
INTRODUÇÃO GERAL
Desde épocas passadas o homem tem se preocupado com sua qualidade de vida, isto está associado à utilização de biomateriais capazes de restaurarem ou substituírem partes dos tecidos danificadas do corpo humano. Diversos biomateriais são utilizados clinicamente, porém todos provocam, em maior ou menor grau, uma resposta ao meio biológico. Dentre os biomateriais biológicos, os enxertos de origem autógena (do mesmo indivíduo) são os que apresentam melhor previsibilidade por possuírem propriedades osteogênicas, osteocondutoras e osteoindutoras. Entretanto, sua aplicação está limitada a cada caso em particular, ao estado do paciente, a localização e ao tamanho do defeito. Além disso, apresenta inconvenientes que limitam seu uso na prática clínica, exigindo, em alguns casos, procedimentos em ambiente hospitalar, com aumento do tempo de recuperação e custo cirúrgico.
Os biomateriais utilizados no Brasil em sua maioria são importados e acabam por aumentar o custo dos procedimentos de tratamento. Desta forma, observa-se uma necessidade de desenvolvimento científico e tecnológico brasileiro nesta área a fim de reduzir o custo dos materiais envolvidos. Além disso, o objetivo principal da utilização de biomateriais é de melhorar a saúde humana, restaurando as funções do tecido vivo do corpo que perderam as suas funções. Portanto, é importante conhecer as propriedades dos biomateriais (biocimentos) e sua influência no comportamento interativo entre o biomaterial e o meio biológico.
A nanociência e a nanotecnologia têm contribuído significativamente com o desenvolvimento de novas técnicas e métodos de síntese e elaboração de biomateriais, levando a obtenção de biomateriais com novas características físicas, morfológicas e microestruturais, capazes de oferecer melhores condições de molhabilidade, capilaridade, adesão e proliferação celular sobre a superfície de grãos e de microporos. O interesse das pesquisas comerciais por esta nova classe de biomateriais está associado à substituição dos biomateriais convencionais autógenos, alógenos e xenógenos por biomateriais sintéticos.
da estrutura óssea do corpo humano. São biomateriais biocompatíveis e se destacam como biomateriais de substituição óssea.
Os biocimentos de fosfato de cálcio e composições bifásicas são tipicamente misturas de pós de fosfatos de cálcio em meio líquido. Essa mistura fornece uma pasta que endurece espontaneamente a temperatura ambiente ou corpórea, de forma que um ou mais constituintes do biocimento são dissolvidos e precipitados, resultando em um ou mais tipos de fosfatos de cálcio, como brushita, hidroxiapatita, hidroxiapatita deficiente em cálcio e fosfatos de cálcio amorfos. As composições bifásicas com uma segunda fase nanométrica, como o MgO e Al2O3-α na matriz de hidroxiapatita podem melhorar as características de pega e hidratação do biocimento. Os biocimentos de fosfato de cálcio e composições bifásicas microporosas são uma alternativa promissora em aplicações biomédicas, em razão de apresentarem boa molhabilidade, hidratação, capacidade de endurecimento e facilidade de moldagem durante sua aplicação em meios biológicos.
Esse trabalho teve como objetivo geral a síntese e caracterização de pós de fosfatos de cálcio hidratados nanoestruturados e elaboração de biocimentos de fosfatos de cálcio e composições bifásicas para aplicações biomédicas.
Objetivos Específicos
Sintetizar diferentes composições de fosfatos de cálcio hidratados nanoestruturados através do método por via úmida nas razões Ca/P = 1,5; 1,55; 1,6; 1,67; 1,7molar;
Sintetizar duas composições bifásicas na razão Ca/P = 1,67 com 1% de MgO e outra composição com 5% de Al2O3-α.
Elaborar biocimentos de fosfatos de cálcio; Elaborar biocimentos bifásicos;
Caracterizar as diferentes composições de fosfatos de cálcio hidratados nanoestruturados, biocimentos e composições bifásicas, através de diferentes métodos de caracterização;
Realizar os estudos de hidratação em solução de fosfato dissódico dos biocimentos em diferentes tempos de hidratação: 5 minutos, 10, 20 e 30 minutos.
Na parte 2 estão representadas as matérias-primas utilizadas, o processo de síntese para obtenção dos pós de fosfatos de cálcio hidratados, método para obtenção dos biocimentos e as técnicas utilizadas para caracterização.
O domínio da nanotecnologia encontra-se compreendido entre 0,1 e 100 nanômetros (10-9 metros). Esta ciência tem revolucionado os processos de síntese e fabricação de materiais e dispositivos, se apresentando como uma das mais promissoras neste novo milênio. Isto pode ser constatado pelo número crescente de publicações e de novos produtos obtidos pela nanotecnologia, tanto em nível nacional como internacional [SILVA, 2012; CAMARGO, 2007; KARVAT, 2005].
Richard Feynman foi o primeiro a referenciar as possibilidades de Nanociência e Nanotecnologia em seu discurso no Instituto Tecnológico da Califórnia, intitulado "No fundo há espaço de sobra”, ganhando o Prêmio Nobel de Física em 1965, por seu trabalho na área de física quântica [FEYNMAN, 1966]. [TANIGUCH, 1974] publicou um artigo definindo Nanotecnologia como a manipulação, separação, consolidação e deformação dos materiais por um átomo ou por uma molécula. O termo Nanotecnologia também foi introduzido por
[DREXLER, 1981],onde o autorapresentou a Nanotecnologia como uma nova tecnologia, capaz de fabricar máquinas e dispositivos nanométricos, manipulados átomos a átomos. Esta Ciência tem contribuído para o desenvolvimento de áreas como a energética, com o uso de nanomateriais semicondutores na fabricação de células solares, que convertem energia solar em energia elétrica a baixo custo [GARCIA-GUTIERREZ, 2010], indústria farmacêutica, com o uso de nanopartículas como elemento matricial na liberação controlada de fármacos [DURAN, 2010; MARQUES, LOPES e SOUTO, 2009].
A partir de 1991, houve uma expansão das pesquisas sobre a elaboração de nanomateriais, realizadas por diferentes laboratórios dispersos pelo mundo todo [CAMARGO, 2012; DELIMA, 2009; KUMTA, 2005]. Os materiais nanoestruturados são temas de pesquisa e se apresentam promissores em diferentes áreas do conhecimento: na Física, na Química, na Biologia, nas Engenharias e nas Ciências da Saúde.
Na área da ortopedia, odontologia e traumatologia, os biomateriais nanoestruturados de fosfatos de cálcio e biocimentos se destacam como biomateriais de preenchimento de defeitos e reconstrução de tecidos ósseos. Na cirurgia estes são utilizados na fixação de implantes e na modelação do tecido ósseo perdido
1.2 BIOMATERIAIS
Desde épocas passadas o ser humano tem se preocupado com a qualidade de vida, buscando assim substituir ou reparar partes do corpo danificadas por doenças ou acidentes, fazendo o uso de biomateriais como conchas corais, marfim, madeira, ouro e prata. Há relatos na literatura de múmias de cerca de 3000 anos com prótese de madeira nos dedos dos pés [DOROZHKIN, 2013].
Os biomateriais são materiais de origem sintética, natural ou natural modificada, destinados a interagir com o sistema biológico onde foram aplicados, exercendo assim as funções para qual foram desenvolvidos: tratar, reparar, reconstruir, aumentar ou substituir órgãos ou função do corpo humano. Um biomaterial para que possa ser aplicado clinicamente deve ser biocompatível, ou seja, não apresentar toxicidade com os tecidos vizinhos. [CALLISTER, 2011; MOREJÓN-ALONSO, 2011; DOROZHKIN, 2010; WILLIAMS, 2009].
O uso de biomateriais metálicos, poliméricos, cerâmicos e compósitos em aplicações biomédicas para dar suporte às células ósseas e estimular o crescimento do tecido ósseo é um campo de interesse de longa data, sendo alvo das pesquisas atuais, com o objetivo de investigar e melhorar o desempenho desses materiais in vivo [GRIFFITH, 2000; LEMONS, 1986]. A tabela 1 mostra as classes de biomateriais mais usadas e suas aplicações:
Tabela 1 – Biomateriais utilizados e suas aplicações.
Biomaterial Exemplos de aplicações Polímeros
(nylon, borracha de silicone, poliéster, politetrafluoretileno)
Fios de suturas, vasos sanguíneos, encaixes de quadril, cirurgias de ouvido e nariz.
Metais
(Titânio e suas ligas, ligas de Cromo-Cobalto, aços inoxidáveis, Ouro, Prata e Platina)
Próteses, placas ósseas e parafusos, implantes dentais, fios de sutura.
Cerâmicas
(óxido de alumínio, fosfatos de cálcio, incluindo hidroxiapatita)
Substituição de cabeça femoral de quadril, revestimento dentário e de implantes ortopédicos, substitutos ortopédicos.
Compósitos
(carbono-carbono, cimentos de fosfato de cálcio com uma segunda fase).
Cirurgias de articulações, válvulas cardíacas, sustentação de
1.3 BIOCERÂMICAS
Embora o primeiro relato sobre a utilização de biocerâmica como substituto ósseo remonte a 1894, foi apenas a partir da década de 1970 que as biocerâmicas passaram efetivamente a ser estudadas com a finalidade de aplicações biomédicas [HENCH, 1998]. As cerâmicas biocompatíveis, ou biocerâmicas, são definidas como materiais sólidos inorgânicos, quimicamente inertes ou não, constituídos de uma maneira geral de uma fase contínua, denominado de biocerâmica monolítica, ou uma ou mais fases descontínua dispersa dentro de uma fase contínua, para este caso, o biomaterial é chamado de híbrido ou compósito
[GILAPA, 2001; CAMARGO, 1995].
A primeira biocerâmica com uso muito difundido foi à alumina- densa (Al2O3-), caracterizada como material bioinerte. Outro ponto de destaque desta biocerâmica está associado a sua biocompatibilidade e elevada resistência mecânica, o que permite seu uso em aplicações ortopédicas principalmente em regiões de articulação. Exemplos típicos do emprego de alumina são as próteses para a substituição da cabeça do fêmur que faz a articulação com o ilíaco e a substituição de dentes e pinos implantáveis dentários [HENCH, 1991].
Outras cerâmicas como a zircônia (ZrO2), o dióxido de titânio (TiO2), os fosfatos de cálcio, as vitro-cerâmicas formadas por composições a base de silicatos, os compósitos a base de fosfato de cálcio apresentam grande difusão atualmente nos centros de pesquisa
[CAMARGO, 2012; TRAYKOVA, 2006; HENCH, 1991].
As biocerâmicas são desenvolvidas e pesquisadas com o intuito de melhorar suas características de bioatividade, propriedades mecânicas, físicas, químicas, microestruturais e nanoestruturais. O interesse se encontra em obter biomateriais com características físicas, químicas e morfológicas semelhantes a do esqueleto humano
[OKAMOTO, 2006; KAWACHI, 2000].
As biocerâmicas microporosas a base de fosfato de cálcio se destacam nas pesquisas por apresentarem semelhança química e cristalográfica à do esqueleto humano. Outra característica importante destes biomateriais é a biocompatibilidade [BERTRAN, 2000; HULBERT, 1982]. Entretanto a baixa resistência mecânica das biocerâmicas microporosas limita suas aplicações em regiões sujeitas a solicitações mecânicas [DOS SANTOS, 2009; SOUZA, 2009; BELLINI, 2007].
grânulos, devido à capacidade dos biocimentos de formar uma pasta plástica de fácil moldagem, que se adapta ao defeito a ser preenchido e endurece rapidamente in vivo [BOHNER, 2005]. Além disso, os biocimentos apresentam características de bioatividade, molhabilidade, e capacidade de reparação e reconstrução óssea [MOREJÓN-ALONSO, 2011]. Os biocimentos podem ser usados também no carregamento e liberação de medicamentos e fixação de implantes, tendo baixo custo de produção e técnicas simples de obtenção [TRAYKOVA, 2006; BARRALET, 2004; JOOSTEN, 2004].
1.4 BIOCIMENTOS DE FOSFATO DE CÁLCIO
Na década de 1980, LEGEROS (1982) e BROWN e CHOW (1983) desenvolveram pela primeira vez os biocimentos de fosfato de cálcio (CPCs) para aplicações biomédicas.
Biocimentos de fosfato de cálcio hidráulicos consistem em uma combinação de uma ou mais fases sólidas (precursores de fosfato de cálcio) capazes de formar uma pasta plástica quando misturados com água ou uma solução aquosa, iniciando o processo de pega e endurecimento à temperatura ambiente ou corpórea [GINEBRA, 2012; DOS SANTOS & PINTO, 2011; GINEBRA, 2010]. O processo de solidificação ocorre devido à reação de dissolução-precipitação, onde há o crescimento e entrelaçamento dos cristais, elevando a resistência mecânica progressivamente em função do tempo, tendo como resultado um corpo sólido único formado por uma ou mais fases [GINEBRA, 2012; BELLINI, 2007; SOARES, 2006; NURIT, 2002].
Dentre os biocimentos de fosfatos de cálcio se destacam a hidroxiapatita (HA), o fosfato de cálcio- (TCP-), as composições bifásicas (HA/TCP-), e os bifásicos com matriz cerâmica de HA e/ou TCP-, normalmente empregados por apresentarem similaridade cristalográfica com a apatita óssea do esqueleto humano.
Existem diferentes polítipos de biocimentos de fosfatos de cálcio, estes podem ser obtidos por diferentes métodos e técnicas de síntese. Os tipos mais conhecidos e pesquisados atualmente são: o fosfato de cálcio- (TCP-), na composição química Ca3(PO4)2, a hidroxiapatita (HA) estequiométrica (Ca10(PO4)6(OH)2), brushita na composição química CaHPO4.2H2O e as composições bifásicas HA/TCP-[VATER, 2010; ISHIKAWA, 2008; NARAYANAN, 2007].
O interesse por estas composições está associado as suas características físicas e químicas, que são semelhantes às características da estrutura cristalina dos tecidos ósseos, dentina e esmalte dental e pela capacidade que estes apresentam de hidratação e solubilização em meios biológicos ou simulados [DALMÔMICO, 2011; OLIVEIRA, 2010; SOARES, 2006].
Os fosfatos de cálcio usados como precursores para obtenção de biocimentos podem ser classificados de acordo com sua razão molar entre o Ca e o P (Ca/P) e estas podem variar de 0,5 a 2,0 molar. Estes podem ser sintetizados através de diferentes técnicas, sendo que a mais conhecida e utilizada é a técnica por precipitação a partir de soluções contendo cálcio e fosfato, sob condições alcalinas ou ácidas [BERTRAN, 2000]. A tabela 2 mostra uma lista de símbolos, composições químicas e os nomes de diferentes fosfatos de cálcio com suas respectivas razões Ca/P molar.
Tabela 2 – Composições de fosfato de cálcio.
Símbolo Fórmula Nome Ca/P
MCPM Ca(H2PO4)2.H2O Fosfato monocálcico monohidratado 0,5
MCPA Ca(H2PO4)2 Fosfato monocálcico anidro 0,5
DCPD CaHPO4.2H2O dihidratado (brushita) Fosfato dicálcico 1
DCP/DCPA CaHPO4 Fosfato dicálcico (monetita) 1
OCP Ca8H2(PO4)6.5H2O Fosfato octacálcico 1,33
TCP-α Ca3(PO4)2-α Fosfato tricálcico alfa 1,5
TCP- Ca3(PO4)2-β Fosfato tricálcico beta 1,5
HAP Ca10 (PO4)6(OH)2 Hidroxiapatita 1,67
TTCP Ca4(PO4)2O Fosfato tetracálcico (hilgenstockita) 2,0
Fonte: Adaptado de DOROZHKIN, 2008; BIGNON, 2002.
Figura 1 – Diagrama de fase relacionando a concentração CaO-P2O5 para
formação de fosfatos de cálcio de acordo com a razão molar de Ca/P.
1.5 SÍNTESE DE FOSFATOS DE CÁLCIO HIDRATADOS
A síntese de pós de fosfatos de cálcio hidratados para obtenção dos biocimentos pode ser realizada por diferentes métodos e técnicas, sendo que o método de síntese via úmida é o mais usual na produção de fosfatos de cálcio hidratados. Este método permite a obtenção de pós nanoestruturados de fosfatos de cálcio hidratados com tamanho das nanopartículas inferiores a 50nm [SILVA, 2012; DALMÔNICO, 2011; DELIMA, 2008; CAMARGO, 2007]. Este método apresenta certas vantagens como: produção de pós nanoestruturados a temperatura ambiente, não gerando nenhum tipo de subproduto nocivo ao meio ambiente e fornece finas partículas de fosfato de cálcio [SILVA, 2012]. As composições mais frequentes encontradas por este método são: fosfato de cálcio mono-hidrogênio diidratado (DCPD), Fosfato octacálcico (OCP), fosfato dicálcio (DCP) e fosfato de cálcio amorfo (ACP) [SOARES, 2006; KUMTA, 2005; RAYNAUD, 2002].
Observa-se na bibliografia um número crescente das pesquisas sobre a síntese de pós nanoestruturados de fosfato de cálcio
[CAMARGO, 2009; DOS SANTOS, 2009; DELIMA, 2008; CAMARGO, 2007]. Este interesse está associado às novas características morfológicas e de área superficial que estes pós podem oferecer. Estas novas características podem contribuir para a obtenção de biocimentos e biomateriais com novas características microestruturais, nanoestruturais e de microporosidade, diferenciadas dos biocimentos convencionais microestruturados. Estas novas microestruturas microporosas podem contribuir com a molhabilidade, capilaridade, solubilidade, hidratação e pega dos biocimentos, o que poderá contribuir na fixação de implantes, reconstrução e formação do tecido ósseo [CAMARGO, 2012; BELLINI, 2007; SOARES, 2006].
fosfato de cálcio hidratado com picos longos, conforme mostrado pela figura 2.
Figura 2 – Difratograma de raios X obtido sobre o pó de fosfato de cálcio hidratado.
Fonte: CORRÊA, 2013.
Sabe-se da literatura que a morfologia das partículas pode exercer influência sobre a compactação e a sinterização dos biomateriais, o que pode conduzir a uma variação das propriedades mecânicas, da microestrutura e da microporosidade desses biomateriais
[DOS SANTOS, 2009; KUMTA, 2005]. Sabe-se ainda que as características
morfológicas das partículas, como tamanho de grãos e volume de microporos são fatores relevantes em casos de aplicações biomédicas, podendo favorecer ou inibir os processos de molhabilidade, osseoindução, osseointegração e da formação do tecido ósseo.
[MÜLLER, 2008; DELIMA, 2008; CHEN, 2008; CAI, 2008; CAMARGO, 2007, RAYNAUD, 2002].
As características morfológicas, relacionadas com a forma e o tamanho das partículas são fatores importantes na elaboração de biocimentos na forma de pós ou biomaterial granulado. MOSTAFA
[2005] mostrou em seu trabalho que o método de difração de raios X pode ser utilizado para determinar o tamanho de partículas cristalinas de um pó cerâmico de fosfato de cálcio hidratado. O autor utilizou o resultado obtido pela difratometria de raios X para determinar o tamanho médio dos cristais elementares do pó de fosfato de cálcio hidratado, que foram obtidos pelo método de síntese via úmida. Para determinação do tamanho médio das partículas o autor se serviu do método de Scherrer, que consiste da utilização da equação 1. O autor
10 20 30 40 50 60 70 80
0 50 100
150 * Ca
3(PO4)2H2O
utilizou como referência o plano principal de difração do cristal, sendo k um fator de forma igual a 0,9, λ é o comprimento de onda em metros, θ o ângulo de difração referente ao plano principal de difração e β1/2é a largura média do pico de difração à meia altura, expresso em radianos. Para determinação dos valores médios das partículas, o autor utilizou a equação 1.
cos
2 / 1k
D
(Equação 1)A estimativa do tamanho médio de partícula obtida por esse método mostrou-se eficaz, já que os valores obtidos foram confrontados com resultados de análise de área de superfície (BET). A análise de área de superfície também possibilita a obtenção teórica do tamanho médio de partículas com elevada precisão. Sendo assim, o cálculo teórico utilizando o método de Scherrer tem se mostrado eficiente na determinação teórica do tamanho médio de partículas de fosfatos de cálcio hidratados.
estrutura cristalina dos pós de fosfatos de cálcio hidratados, ocorrido pelo aquecimento do pó.
Figura 3 – Espectrogramas de FTIR obtidos sobre pós de fosfatos de cálcio relacionando a temperatura de tratamento e as bandas vibracionais.
Fonte: Adaptado de MIR, 2012.
1.6 TIPOS DE BIOCIMENTOS
As formulações existentes de biocimentos de fosfato de cálcio hidráulicos podem ser divididas em dois grupos principais de acordo com o produto final da reação: biocimentos apatíticos e brushíticos. O produto final da reação dos biocimentos é de suma importância, pois determina a solubilidade e, portanto, a bioabsorção in vivo. Uma vez que a composição química de ossos de mamíferos é semelhante à hidroxiapatita deficiente em cálcio, as formulações de biocimentos de hidroxiapatita têm sido extensivamente investigadas [DOROZHKIN, 2011].
A figura 4 ilustra um esquema representativo dos biocimentos apatíticos e brushíticos, sendo que estes podem ser formados por uma
T
em
per
at
ur
a (
o C)
Número de onda (cm-1)
única fase ou múltiplas fases. Quando em presença de água ou do plasma sanguíneo, estes reagem através do processo de hidrólise ou reação ácido-base, conduzindo a dissolução/precipitação de novas fases conforme pode ser observado na figura 4.
Figura 4 – Esquema representativo dos biocimentos apatíticos e brushíticos e suas morfologias.
1.6.1 Biocimentos de hidroxiapatita
A formação de biocimento apatítico pela mistura de fosfato tetracálcico (TTCP, Ca4(PO4)2O) e dicálcico dihidratado (DCPD, CaHPO4.2H2O) foi relatada por Brown e Chow em meados de 1980
[LILLEY, 2005].
Tipicamente, as formulações de biocimento de apatita têm um precipitado de hidroxiapatita (HA, Ca10(PO4)6(OH)2) e/ou hidroxiapatita deficiente em cálcio (CDHA, Ca9HPO4(PO4)5OH) como o produto final da reação. Como esses biocimentos são formados num ambiente aquoso e têm uma baixa cristalinidade, são semelhantes à apatita biológica dos ossos e dentes, com propriedades mecânicas próximas a do esqueleto humano. Estas características são consideradas responsáveis pela sua capacidade de absorção in vivo [DOROZHKIN, 2011; SOARES, 2006; FERNANDEZ, 2005]. A célula unitária da hidroxiapatita é formada pelos íons , e , onde o arranjo hexagonal é construído pelos íons e sobre colunas de [DOURADO, 2006]. Os sítios de cálcio podem ser substituídos por outros elementos, como o Mg2+, proporcionando melhores propriedades mecânicas, devido ao menor raio iônico e a ligação mais forte em comparação com os íons Ca2+. A figura 5 apresenta a estrutura cristalina da célula unitária da hidroxiapatita ao
longo do eixo “c”, onde uma das colunas de é ilustrada [ELLIOTT,
1994].
Figura 5 – Representação da malha unitária da estrutura cristalina da hidroxiapatita ao longo do eixo “c”.
Biocimentos de hidroxiapatita convencionais contêm fosfato tricálcico (TCP) e/ou fases de fosfato tetracálcico (TTCP) em seus componentes em pó. A reatividade dos cimentos de apatita à base de TCP varia como uma função da cristalinidade e tamanho de cristais. Geralmente, uma reatividade mais elevada é observada com uma fase termodinamicamente menos estável (a partir de TCP-β para TCP-α) que apresentam cristais menores [GINEBRA, 2012; DOROZHKIN, 2011]. A capacidade de absorção e solubilização do TCP- faz com que este biomaterial seja atrativo como precursor de biocimento por si só ou em misturas com a fase hidroxiapatita, em composições bifásicas [SADER, 2009].
Os biocimentos de hidroxiapatita nanocristalinos, obtidos pela mistura de fosfato de cálcio e fosfato dicálcico em uma solução aquosa, reagem para forma cristais microporosos de uma hidroxiapatita deficiente de cálcio, estes apresentam elevada área de superfície e finos grãos, estas características conduzem a uma melhor reatividade e hidratação do biocimento[BOHNER, 2005].
Apesar das pesquisas para melhorar as propriedades mecânicas da hidroxiapatita (modificando-se os parâmetros de processamento), os resultados ainda não são satisfatórios, por serem biomateriais frágeis
[SUCHANEK, 1998]. A nova tendência na melhoria das características mecânicas da hidroxiapatita deslocou-se para o desenvolvimento de biomateriais bifásicos, como HA/Al2O3, HA/ZrO2 e HA/TiO2 HA/MgO
[CORRÊA, 2013; SOUZA, 2009; DELIMA, 2009; MARCHI, 2007, CAMARGO, 2007; BELLINI, 2007] . Entre as muitas cerâmicas usadas em ortopedia, a alumina é classificada como um material bioinerte com excelentes propriedades tribológicas [WILLMANN, 2000]. O interesse em se utilizar uma segunda fase do tipo alumina- e/ouMgO nanométrica na elaboração de biomateriais bifásicos está associado a proporcionar uma estabilidade mecânica da fase hidroxiapatita e melhorar a bioatividade mantendo a sua biocompatibilidade [EPURE, 2007].
Portanto, um sistema composto de dois componentes, hidroxiapatita e uma segunda fase do tipo Al2O3nanométrica podem oferecer novas características microestruturais, nanoestruturais e área superficial de grãos e de microporos promissoras a molhabilidade e capilaridade. Estas características contribuem com a bioatividade a osteocondutividade do biomaterial. Outra contribuição favorável com a presença da segunda fase em posição inter-intragranular na matriz hidroxiapatita são as propriedades mecânicas que podem ser melhoradas
1.6.2 Biocimentos de brushita
Os biocimentos de brushita foram descobertos por Mirtchi e Lemaitre em 1989. Estes materiais foram preparados pela mistura de água com um pó consistindo de um fosfato ácido de cálcio (fosfato monocálcico monohidrato) e um fosfato de cálcio básico (fosfato tricálcico beta). O resultado desta mistura apresentou uma pasta cimentícia moldável, que através da reação exotérmica ocorrida pelo processo de hidrolização, levou a solidificação, formando um material duro que era composto principalmente de fosfato dicálcico di-hidratado, conhecido pelo nome de biocimento de brushita [MIRTCHI e LEMAITRE, 1989].
Estudos subsequentes mostraram que o biocimento de brushita é biocompatível e apresenta capacidade absorção em condições fisiológicas in vivo ou em meio simulado. Biocimentos de brushita são altamente reativos e apresentam, após hidratação e endurecimento, propriedades mecânicas semelhantes as dos ossos [MIRTCHI e LEMAITRE, 1989; 1991].
A principal vantagem dos biocimentos de brushita está associada à capacidade de hidratação e endurecimento que estes biocimentos oferecem. O processo de hidratação, pega e endurecimento dos biocimentos de brushita se desenvolvem da forma seguinte
[TAMIMI, 2012]: (i) hidratação do pó de biocimento através de um determinado solvente, (ii) formação de um gel super-saturado, (iii) nucleação no interior do gel, (iv) formação de um sólido com cristais interligados, de acordo com a equação seguinte (Equação 2):
β-Ca3(PO4)2 + Ca(H2PO4)2 . H2O + 7H2O → 4CaHPO4 . 2H2O (Equação 2)
1.6.3 Biocimentos Bifásicos
As composições de biocimentos bifásicos são formadas pela mistura de duas fases físicas cristalinas ou amorfas diferentes, que formam um biocimento bifásico ou também chamado de híbrido
[CAMARGO, 2007; SOARES, 2006].
proporciona melhores condições de solubilidade, hidratação e pega dos biocimentos bifásicos[DALMÕNICO, 2011; SOARES, 2006].
As biocerâmicas bifásicas são desenvolvidas com interesse de melhorar a morfologia de grãos, a microporosidade, a bioatividade e as propriedades mecânicas, o que nem sempre é atingido, isto por se tratar de biocerâmicas, que são materiais que apresentam comportamento frágil. Muitos trabalhos existem na literatura sobre a elaboração de biocimentos bifásicos a matriz de fosfato de cálcio HA/Al2O3-, HA/MgO, HA/SiO2, além de muitas composições elaboradas com materiais poliméricos com polimetil-metacrilato (PMMA), politetra-metileno (PTMO) [MARCHI, 2007, BOESEL, 2007; SOARES, 2006; GOTO, 2005; KAMITAKAHARA, 2003]. Estes são desenvolvidos a partir de uma matriz fosfato de cálcio com adição de uma segunda fase com características físicas e morfológicas diferentes da matriz fosfato de cálcio. O interesse pela segunda fase na matriz fosfato de cálcio está normalmente associado, a melhorar a capacidade de molhabilidade, capilaridade, hidratação e pega do biocimento bifásico [BOESEL, 2007; CAMARGO, 2007; MARCHI, 2007; SOARES, 2006; GOTO, 2005; KAMITAKAHARA, 2003].
morfologia de grãos aumenta a taxa de solubilidade dos biocimentos bifásicos se comparados com os biocimentos de fosfato de cálcio [JIA, 2010; MARCHI, 2007].
Os biocimentos bifásicos de hidroxiapatita com uma segunda fase do tipo alumina-nanométricaobtidos a altas temperaturas, de maneira geral, levam a modificação da fase da hidroxiapatita no estado sólido, através do processo de difusão interfacial em contornos de grãos. Este processo de difusão interfacial desestabiliza a hidroxiapatita, levando a liberação de CaO, o que promove a formação de aluminatos de cálcio e fosfatos de cálcio- e . Estes biocimentos agora basicamente trifásicos, formados por HA/TCP e aluminatos de cálcio, oferecem microestruturas microporosas interconectadas, formadas por finos grãos
[EVIS, 2007; VISWANATH, 2006; JUN, 2003]. Estas novas características conduzem a uma maior área superficial de grãos e de microporos, o que proporciona melhores condições de bioatividade, adesão e proliferação celular na superfície de grãos e microporos do biocimento. Outro ponto positivo destas microestruturas microporosas formadas por finos grãos, está associado a melhores condições para a osseoindução, a osseointegração e a formação de um novo tecido ósseo [CORRÊA, 2013; DELIMA, 2008; EVIS, 2007; VISWANATH, 2006; SUNG, 2004; LEGEROS, 2003].
1.7 CARACTERÍSTICAS DOS BIOCIMENTOS
1.7.1 Hidratação e Pega
Para melhorar a hidratação e o tempo de pega, bem como a resistência inicial de biocimentos de fosfatos de cálcio, pode se adicionar pequenas concentrações de uma segunda fase do tipo o óxido de magnésio (MgO), alumina- (Al2O3-) e/ou SiO2 na matriz de fosfato de cálcio durante o processo de elaboração do biocimento. Esta segunda fase tem por objetivo melhorar o processo de hidratação, pega e a atividade osteocondutora do biomaterial. A segunda fase em pequenas concentrações dentro de um biocimento de fosfato de cálcio proporciona a formação de finos grãos, que, durante o processo de hidratação e pega, proporcionam a formação de gel e finos cristais de fosfatos de cálcio, formando uma microestrutura microporosa favorável à adesão e proliferação celular de osteoblastos na superfície dos finos cristais e da microporosidade da massa cimentícia [MESTRES e GINEBRA, 2011].
Os requisitos ideais de um biocimento de fosfato de cálcio para reparações ósseas são os seguintes [DRIESSENS, 1997]: tempo de pega deve ser tal que permita a manipulação apropriada do material sem ser demasiadamente longo; o tempo de preparo da massa deve ser próximo ao tempo de pega inicial (por volta de 5 minutos); a resistência à compressão final deve ser pelo menos similar à do tecido reparado; não deve produzir calor durante a pega e o pH deve ser neutro (6,5 - 8,0) durante e depois da pega para evitar efeitos citotóxicos.
1.7.2 Solubilidade dos Fosfatos de Cálcio
O mecanismo de dissolução dos fosfatos de cálcio vem sendo estudado a mais de 25 anos e o interesse se encontra em compreender o processo de dissolução de íons Ca++ e de PO43- destes biomateriais em meio biológico, sendo o interesse de melhorar os processos de dissolução e de adsorção destes íons pelos processos de neoformação óssea [DOROZHKIN, 2011; BROWN, 1994]. A solubilidade é uma das mais importantes propriedades dos compostos de fosfato de cálcio e está associada diretamente à temperatura, ao pH do meio onde são aplicados e da razão Ca/P molar. A razão Ca/P molar pode influenciar diretamente sobre o índice de solubilidade (Ksp) dos fosfatos de cálcio [SONG, 2002]. O parâmetro mais importante para a descrição das propriedades de solubilidade de um sal de fosfato de cálcio é a constante do produto de solubilidade termodinâmico, Ksp, uma quantidade relacionada à energia livre de Gibbs do sólido, sendo expressa na forma relacionada à forma do composto [SANTOS, 2002].
-TCP > β-TCP > HA > TTCP [GUASTALDI e APARECIDA, 2010; SOARES, 2006; KAWACHI, 2000].
Figura 6 – Dissolução em função de log de Ca e P em relação ao pH da solução para as diferentes composições de fosfatos de cálcio.
Fonte: Adaptado de DOROZHKIN, 2011.
nanométrica do tipo SiO2, MgO, ZrO2 e Al2O3 são frequentemente utilizadas na elaboração de biomateriais bifásicos e trifásicos. O interesse se encontra em modificar os parâmetros da célula unitária, modificando o tamanho do cristal e da microestrutura do biomaterial, aumentando assim a área de superfície de grãos e de microporos, levando a uma melhor atividade do biomaterial quando aplicado em meio biológico ou simulado, fornecendo melhores condições de molhabilidade e capilaridade, proporcionando uma solubilidade controlada do biomaterial [DOROZHKIN, 2012; SADER, 2009].
1.8 APLICAÇÕES BIOMÉDICAS
Os biocimentos de fosfatos de cálcio são utilizados em várias aplicações biomédicas (tabela 3), principalmente na reparação óssea pós-traumática, cirúrgica ou em ferimentos patológicos, tais como tumores osteolíticos ou em tratamento da osteoporose e como preenchimento em áreas do crânio e da região maxilo-facial que não sejam submetidos a grandes cargas mecânicas [VERRON, 2012; GINEBRA, 2006]. Os biocimentos podem ser usados não só como substitutos ósseos, mas como veículos para fornecimento controlado local de fármacos, sendo também amplamente utilizados como sistemas de carregamento de medicamentos, devido à sua macroporosidade e microporosidade interconectada [GINEBRA, 2012; LILLEY, 2005].
Tabela 3 – Ilustrando algumas composições de biocimentos e suas aplicações biomédicas.
Composição Aplicação
HA/TCP Capeamento pulpar (odontologia) TCP-, MCPM, TTCP, TCP-α Carregamento de medicamentos (gentamicina, tetraciclina) TTCP, DCPD, TCP-α Cirurgia de crânio e maxilar TCP- Tratamento de tumores e osteoporose
CONCLUSÃO
A revisão literária serviu de base para ampliar o conhecimento acerca dos biocimentos, suas principais características, materiais usados como precursores e suas características físicas e químicas. O interesse por estas composições está associado com as suas características, que são semelhantes às da estrutura cristalina dos tecidos ósseos, dentina e esmalte dental e pela capacidade que estes apresentam de hidratação e solubilização em meios biológicos ou simulados, promovendo a reparação óssea.
Os biocimentos de fosfato de cálcio ganharam destaque nas pesquisas, devido as suas características físicas e químicas semelhantes a da apatita óssea, também por este biomateriais apresentarem facilidade de moldagem e adaptação ao defeito, bem como a capacidade de endurecimento in vivo, principalmente as composições bifásicas, por demonstrarem melhor desempenho de neoformação óssea, inibindo cirurgias minimamente invasivas e promovendo a cicatrização óssea precocemente, proporcionando a recuperação do paciente dentro de um menor tempo.
Esta parte do trabalho contém uma apresentação das matérias-primas utilizadas para o desenvolvimento deste trabalho de pesquisa e o processo de síntese via úmida utilizado para obtenção dos pós nanoestruturados de fosfatos de cálcio hidratados nas composições seguintes: Ca/P = 1,5; 1,55; 1,6; 1,67 e 1,7molar. Também foram sintetizadas as composições bifásicas na razão Ca/P = 1,67molar, contendo 1% em volume de MgO e outra com 5% em volume de Al2O3-. Por fim será apresentado o procedimento térmico para obtenção dos biocimentos e as técnicas de caracterização.
2.1 CARACTERÍSTICAS DAS MATÉRIAS-PRIMAS
2.1.1 Carbonato de cálcio (CaCO3)
Para este trabalho de pesquisa utilizou-se como precursor o carbonato de cálcio (CaCO3) na forma de pó, obtido do LABSYNTH Produtos para Laboratórios Ltda., lote n° 150507, apresentando 99% de pureza.
2.1.2 Ácido Fosfórico (H3PO4)
O ácido fosfórico (H3PO4) utilizado como reagente para a síntese dos fosfatos de cálcio hidratados foi de procedência da CAQ – Casa da Química Ind. e Com. Ltda., lote n° 06030418, com concentração de 85%.
2.1.3 Óxido de Magnésio (MgO)
O óxido de magnésio foi obtido pela calcinação à temperatura de 900ºC/2h do precursor de carbonato de magnésio. Este foi utilizado para síntese da composição de fosfato de cálcio com 1% MgO. A equação 3 descreve a decomposição do carbonato de magnésio com a liberação de dióxido de carbono e obtenção do pó de óxido de magnésio nanométrico.
2.1.4 Alumina-α (Al2O3-α)
A alumina-α utilizada neste trabalho foi fornecida pelo Grupo de Biomateriais da UDESC. O pó de alumina- foi sintetizado pelo processo sol-gel [CORRÊA, 2013]. Este método permite a obtenção de pós cerâmicos formados por finas partículas nanométricas de alumina-.
2.1.5 Fosfato dissódico (Na2HPO4)
O Fosfato dissódicofoi utilizado em solução, na concentração de 4% para realização dos testes de hidratação dos biocimentos para os tempos de 5 a 30 minutos. A solução de fosfato dissódico (Na2HPO4) utilizada como fluido hidratante foi preparada com o uso de água destilada necessária para formação da concentração de 4%.
2.2 MÉTODO DE SÍNTESE DO PÓ DE FOSFATO DE CÁLCIO HIDRATADO
O processo de obtenção do pó de fosfato de cálcio hidratado nanoestruturado, precursor para posterior elaboração de biocimentos, foi realizado através do método reativo carbonato de cálcio/ácido fosfórico necessário para formação da composição Ca/P molar desejada, método já utilizado por [SILVA, 2012]. Foram elaboradas cinco composições de fosfatos de cálcio hidratados nas razões molares de Ca/P = 1,5; 1,55; 1,6; 1,67 e 1,7molar. Também foram sintetizadas as composições de fosfatos de cálcio hidratados na razão Ca/P = 1,67molar contendo 1% em volume de MgO e outra com 5% em volume de Al2O3-. A figura 7 mostra o esquema geral utilizado para síntese e caracterização dos pós nanoestruturados de fosfatos de cálcio hidratados.
Figura 7 – Esquema utilizado para síntese dos pós nanoestruturados de fosfatos de cálcio hidratados.
Fonte: produção do próprio autor.
O material recuperado do moinho atritor foi introduzido em um balão tipo pêra para eliminação do solvente. O balão foi acoplado a um evaporador rotativo marca FISATON e parcialmente submerso dentro de um banho de óleo de silicone à temperatura inferior a 70ºC e submetido à rotação de 8 rpm. O pó biocerâmico recuperado do balão tipo pêra apresentou-se na forma de granulados com cor branca. Este passou pelo processo de moagem por almofariz/pistilo e peneiramento na malha 100μm, fornecendo o pó biocerâmico nanoestruturado de fosfato de cálcio hidratado.
Para as composições bifásicas com 1% em volume de MgO e 5% de Al2O3-α, seguiu-se o mesmo procedimento de síntese já utilizado para obtenção dos fosfatos de cálcio hidratados, sendo que o MgO como a Al2O3- foram incorporados à suspensão coloidal no momento do gotejamento do ácido fosfórico.
2.3 TRATAMENTO TÉRMICO PARA OBTENÇÃO DO BIOCIMENTO
de moagem por almofariz/pistilo e peneiramento na malha 100µm (figura 8). Posteriormente foram armazenados cuidadosamente em embalagens plásticas.
Figura 8–Esquema utilizado para obtenção dos biocimentos.
Fonte: produção do próprio autor.
2.4 HIDRATAÇÃO
Os estudos de hidratação foram realizados com interesse de verificar a gelificação e hidratação dos biocimentos em função do tempo de hidratação. Os ensaios de hidratação ocorreram a partir da razão líquido/pó (L/P) igual a 0,4 ml.g-1 [CAMARGO, 2007], ou seja, foram misturados 0,4ml de solução contendo 4% de Fosfato Dissódico (Na2HPO4) para 1g de biocimento à temperatura ambiente (25ºC).
2.5 TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO
2.5.1 Monitoramento do pH
O monitoramento do pH da suspensão coloidal foi realizado com ajuda de um pHmetro marca Quimis, cujas medidas foram feitas a cada 10 minutos.
2.5.2 Caracterização Morfológica e Microestrutural (MEV)
A caracterização morfológica foi realizada sobre os pós nanoestruturados de fosfatos de cálcio hidratados recuperados do evaporador, após peneiramento na malha 100µm. Os estudos de caracterização foram realizados com a ajuda de um Microscópio Eletrônico de Varredura com efeito de Campo, marca JEOL, modelo JSM-6701F através do sistema de elétrons secundários (SE) e com distância de objeto de 8 mm.
A caracterização microestrutural dos biocimentos foi realizada com o Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) marca ZEISS, modelo DSM 940A, através do sistema de elétrons retro-espalhados (BSE). Este também serviu de apoio na caracterização morfológica dos biocimentos, que foram submetidos aos testes de hidratação em tempos de 5, 10, 20 e 30 minutos.
Com a finalidade de evitar os efeitos de carga no interior da câmara do microscópio durante as observações, os pós foram submetidos ao processo de metalização por pulverização catódica, com a deposição de uma película de ouro da ordem de 30nm sobre a superfície das amostras. Esta deposição foi realizada através de um equipamento Bal-Tec SCD 050 modelo Sputter Coater. Os parâmetros utilizados para deposição foram: temperatura de 25ºC, corrente de 40mA, tensão de 2 kV e tempo de deposição de 120 segundos, proporcionando uma película de ouro na superfície das amostras da ordem de 30nm [SILVA, 2007].
2.5.3 Caracterização Cristalográfica por Difração de Raios X –
DRX
tratamento térmico a 1300ºC/2h e sobre os biocimentos que foram hidratados por um tempo de 30 minutos em solução de Fosfato Dissódico (Na2HPO4). Utilizou-se um difratômetro de raios X (DRX) da marca SHIMADZU, modelo X-RAY DIFFRACTOMETER LAB X XRD-6000, com tudo de cobre. Para obtenção dos difratogramas de raios X utilizou-se uma tensão de 40 kV e intensidade de corrente de 30mA, sendo o intervalo angular de varredura de 5° a 80°, com deslocamento do goniômetro de 2º/min em função de 2.
Para melhor avaliar os resultados obtidos pela difratometria de raios X, o método teórico de análise quantitativa de composições de fosfatos de cálcio utilizado por [BEHNAMGHADER, 2008] foi empregado. Este método permite determinar teoricamente as concentrações das fases presentes nas composições de fosfatos de cálcio. Para realização dos cálculos utilizou-se os difratogramas de raios X obtidos sobre as diferentes composições de biocimentos de fosfatos de cálcio. Os cálculos foram realizados através da equação 4, levando-se em consideração sempre o plano principal de difração representado pelo pico de maior intensidade de cada fase (I). Este método de análise quantitativa permite obter resultados teóricos bastante próximos dos valores experimentais.
A equação 3 apresenta a relação entre as fases HA e TCP-.
TCP = ITCP/(ITCP + IHA) (Equação 4)
2.5.4 Análise do Tamanho de Cristais particulados pelo Método Teórico de Scherrer
O método de Scherrer [DOS SANTOS, 2009; MOSTAFA, 2005] foi empregado para determinação do tamanho médio dos cristais para os pós de fosfatos de cálcio hidratados obtidos da secagem em evaporador rotativo. Para realização dos cálculos utilizaram-se os resultados e parâmetros da difratometria de raios X. Os cálculos foram realizados através da equação 1, utilizando os difratogramas de raios X obtidos sobre os pós retirados do evaporador rotativo, levando em consideração o plano principal de difração.
cos
2 / 1k
D
(Equação 1)representa o ângulo de difração referente ao plano principal do
biomaterial e β1/2 é a largura do pico principal de difração à meia altura,
expresso em radianos.
2.5.5 Análise do Tamanho de Partícula por Difração à Laser As análises de distribuição do tamanho de partículas foram realizadas sobre os pós nanoestruturados de fosfatos de cálcio hidratados obtidos da secagem em evaporador rotativo. Para realização deste estudo utilizou-se o método de difração laser, com ajuda do equipamento marca SHIMADZU modelo SALD-7001, com laser semicondutor azul-violeta ( = 405nm), o qual permite a determinação de tamanho de partículas de 10nm a 500µm. Com interesse de se obter melhor dispersão das partículas de fosfatos de cálcio hidratados, utilizou-se acetona como meio dispersante e se aplicou uma descarga de ultrassom por 2 minutos. Posteriormente se realizaram as análises do tamanho de partículas.
2.5.6 Caracterização Química por Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR)
A técnica de espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR) foi utilizada para a identificação das bandas vibracionais dos grupamentos OH- e PO43- presentes nos fosfatos de cálcio hidratados e nos biocimentos. Os estudos foram realizados em um equipamento Perkin Elmer Spectrum, com refletância atenuada, utilizando intervalo de 4000 a 520 cm-1 com resolução de 4,00 cm-1.
2.5.7 Análise Química por EDS
INTRODUÇÃO
Os resultados apresentados a seguir se referem aos estudos de caracterização das matérias-primas utilizadas para o desenvolvimento deste trabalho de pesquisa. Em seguida são apresentadas curvas representativas do comportamento do pH das suspensões coloidais obtidas durante o processo de síntese e por fim serão apresentados os resultados de caracterização obtidos sobre os pós de fosfatos de cálcio hidratados e biocimentos. A sequência dos resultados será apresentada como segue:
Caracterização das matérias primas utilizadas para o desenvolvimento dos fosfatos de cálcio hidratados nanoestruturados e biocimentos;
Monitoramento do valor do pH da solução coloidal durante o processo de síntese dos pós de fosfatos de cálcio hidratados nanoestruturados;
Caracterização morfológica dos pós de fosfatos de cálcio hidratados nanoestruturados e análise microestrutural dos biocimentos (MEV); Análise física por difratometria de raios X (DRX);
Análise do Tamanho de Partícula por Difração à Laser; Cálculo do diâmetro de partícula pelo método de Scherrer;
Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR) para identificação dos grupos funcionais;
Análise química por EDX.
3.1 CARACTERÍSTICAS DAS MATÉRIAS-PRIMAS
3.1.1 Carbonato de cálcio (CaCO3)
A figura 9 mostra a morfologia do pó de carbonato de cálcio onde se observa na micrografia uma morfologia formada por finas partículas em forma de agulhas, típica para o caso de carbonatos de cálcio semi-hidratados, caso já observado por diferentes autores, que utilizaram este tipo de carbonato como precursor na síntese de fosfatos de cálcio via úmida [CORRÊA, 2013; BELLINI, 2007; SOARES, 2006; KARVAT, 2005].
Figura 9–Morfologia do carbonato de cálcio semi-hidratado utilizado na síntese dos fosfatos de cálcio.
Fonte: produção do próprio autor.
Figura 10 – Difratograma de raios X obtido sobre o pó de CaCO3.
Fonte: produção do próprio autor.
3.1.2 Óxido de Magnésio (MgO)
O resultado obtido da caracterização morfológica para o pó de óxido de magnésio mostrou uma morfologia formada por finas partículas aglomeradas com forma esféricas, conforme ilustrado pela figura 11. Outra constatação foi o tamanho médio das nanopartículas da ordem de 50nm, conforme pode ser observado na figura 11.
Figura 11 – Morfologia obtida sobre o óxido de magnésio.
Fonte: produção do próprio autor.
O difratograma de raios X para o óxido de magnésio revelou o pico principal de difração em [2 0 0], com estrutura cristalina cúbica, correspondendo à ficha JCPDS 77-2179, conforme figura 12.
10 20 30 40 50 60 70 80
Figura 12 – Difratograma de raios X para o óxido de magnésio.
Fonte: produção do próprio autor.
3.1.3 Alumina-α (Al2O3-α)
A alumina-α apresentou uma morfologia formada por finas partículas aglomeradas, com microestrutura vermicular microporosa, típica para as aluminas obtidas pelo processo sol-gel (figura 13), caso já observado por outros autores [CORRÊA, 2013, CAMARGO, 1995].
Figura 13 – Morfologia obtida sobre o pó de Al2O3-α .
A figura 14 mostra o difratograma de raios X obtido sobre o pó de Al2O3-α onde se observa a presença dos picos bem definidos representativos da fase alumina-, com sistema cristalino romboédrico, observando os planos principais de difração para [113] e [104] (JCPDS corresponde à ficha 43-1484), conforme já observado por outros autores
[CORRÊA, 2013; PASSONI, 2010; SOUZA, 2009].
Figura 14 – Difratograma de raios X obtido sobre o pó de Al2O3-α.
Fonte: produção do próprio autor.
3.2 MEDIDAS DO VALOR DO pH DAS SUSPENSÕES COLOIDAIS
A figura 15 mostra as curvas representativas das medidas do valor do pH para as suspensões coloidais durante o processo de síntese em função do tempo (min.). O valor do pH no tempo inicial de medida (tempo zero) corresponde ao valor do pH da água destilada utilizada no processo de síntese. Após a adição de CaCO3 o pH elevou-se até próximo de 9 e com a adição da solução ácida à suspensão coloidal em aproximadamente 40 minutos, observou-se uma queda do valor do pH para todas as composições, ocorrido pela acidificação da suspensão coloidal e início da precipitação de fosfatos de cálcio hidratados. A estabilização do mesmo ocorreu aproximadamente após 110 minutos, chegando a um valor do pH 7,5. Para as composições bifásicas o pH ficou ligeiramente alcalino, devido provavelmente ao consumo de fosfato pela adição de MgO e Al2O3-α.
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
0 1000 2000 3000
sem atritor
* Al2O3- sol-gel
[116] [104] * * * * * * * * * * In te n s id a d e ( C P S ) 2
10 20 30 40 50 60 70 80
Figura 15 – Curvas representativas das medidas do valor do pH para as diferentes suspensões coloidais em função do tempo.
Fonte: produção do próprio autor.
3.3 CARACTERIZAÇÃO MORFOLÓGICA E MICROESTRUTURAL (MEV)
Figura 16 – Micrografia obtida sobre o pó de fosfato de cálcio hidratado Ca/P = 1,6molar.
Fonte: produção do próprio autor.
Figura 17 – Micrografia obtida sobre o biocimento Ca/P = 1,5 molar.
Fonte: produção do próprio autor.
Figura 18 – Micrografia obtida sobre o biocimento Ca/P = 1,55molar.
Figura 19 – Micrografia obtida sobre o biocimento Ca/P = 1,6molar.
Fonte: produção do próprio autor.
Figura 20 – Micrografia obtida sobre o biocimento Ca/P = 1,67molar.
Figura 21 – Micrografia obtida sobre o biocimento Ca/P = 1,7molar.
Fonte: produção do próprio autor.
Para o biocimento bifásico com 1% de MgO em sua composição, observou-se uma maior aglomeração dos fragmentos de cristais e formação de um maior número de aglomerados microporosos, com formas esféricas, conforme mostrado na figura 22. Esta modificação dos aglomerados pode estar associada à presença da segunda fase do MgO nanométrico, em posição inter-intragranular na matriz fosfato de cálcio, inibindo a coalescência dos cristais da matriz fosfato de cálcio durante o tratamento térmico e levando a formação de finos cristais, caso já observado por outros autores que produziram pós bifásicos [CORRÊA, 2013; SOUZA, 2009; DOS SANTOS, 2009; MARCHI, 2007].
