UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E
ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM
JÚLIO CÉZAR PETTO DE SOUZA
ESTUDO E CARACTERIZAÇÃO DE PÓS NANOESTRUTURADOS
DE FOSFATOS DE CÁLCIO E NANOCOMPÓSITOS DE FOSFATOS
DE CÁLCIO/Al
2O
3-α SOL - GEL PARA APLICAÇÕES BIOMÉDICAS
JOINVILLE - SC
2009
JÚLIO CÉZAR PETTO DE SOUZA
ESTUDO E CARACTERIZAÇÃO DE PÓS NANOESTRUTURADOS
DE FOSFATOS DE CÁLCIO E NANOCOMPÓSITOS DE FOSFATOS
DE CÁLCIO/Al
2O
3-α SOL - GEL PARA APLICAÇÕES BIOMÉDICAS
DISSERTAÇÃO APRESENTADA PARA
OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA, CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT, ORIENTADA PELO PROF. DR. NELSON HERIBERTO ALMEIDA CAMARGO
Prof. .Dr. Nelson Heriberto Almeida Camargo
JOINVILLE -SC
2009
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
COORDENAÇÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO - CPG
"Estudo e Caracterização de Pós Nanoestruturados de Fosfatos de Cálcio
e Nanocompósitos de Fosfatos de Cálcio/Al
2O
3-α Sol - Gel para
Aplicações Biomédicas"
por
Júlio Cezar Petto de Souza
Essa dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
Na área de concentração "Cerâmica", e aprovada em sua forma final pelo
CURSO DE MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
DO CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
Dr. Nelson Heriberto Almeida Camargo (presidente)
Banca Examinadora:
Joinville, 04 de dezembro de 2009.
Dr. João César Zielak (UP)
Dr. Enori Gemelli CCT/UDESC
Dr. Fernando Humel Lafratta CCT/UDESC
FICHA CATALOGRÁFICA
NOME: PETTO DE SOUZA, Júlio Cezar DATA DEFESA: 04/12/2009
LOCAL: Joinville, CCT/UDESC
NÍVEL: Mestrado Número de ordem: 110 – CCT/UDESC FORMAÇÃO: Ciência e Engenharia de Materiais
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: Cerâmica
TÍTULO: Estudo e Caracterização de Pós Nanoestruturados de Fosfatos de Cálcio e
Nanocompósitos de Fosfatos de Cálcio/Al2O3-α Sol - Gel para Aplicações Biomédicas PALAVRAS - CHAVE: Biocerâmica, Fosfato de Cálcio, Hidroxiapatita, Nanoestrutura, Síntese. NÚMERO DE PÁGINAS: xiii, 102 p.
CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC PROGRAMA: Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM CADASTRO CAPES: 41002016001P-9
ORIENTADOR: Dr. Nelson Heriberto Almeida Camargo
PRESIDENTE DA BANCA: Dr. Nelson Heriberto Almeida Camargo
iv
Ao meu pai Luiz Henrique (“in memorian”) Minha mãe Glória e ao Meu irmão Fábio
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. Nelson Heriberto Almeida Camargo, que como orientador e amigo soube cobrar, mas também não mediu esforços em oferecer todas as condições necessárias à realização do presente trabalho.
À Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC e ao Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM pela realização do presente trabalho.
Ao Centro de Ciências Tecnológicas e ao Departamento de Engenharia Mecânica pela infraestrutura oferecida.
A todos os professores do Curso de Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais, que de uma forma direta ou indireta contribuíram para a realização desse trabalho.
Aos amigos Sarah Juliana, Mariana, Fernando e Rodrigo pelo apoio técnico e moral recebido durante o desenvolvimento desse trabalho.
vi
RESUMO
PETTO DE SOUZA, Júlio Cézar, Estudo e Caracterização de Pós Nanoestruturados de
Fosfatos de Cálcio e Nanocompósitos de Fosfatos de Cálcio/Al2O3-α Sol - Gel para
Aplicações Biomédicas. 102 f. Dissertação de Mestrado em Ciência e Engenharia de
Materiais - Área Cerâmica – Universidade do Estado de Santa Catarina – Programa de Pós Graduação do Centro de Ciências Tecnológicas, Joinville, 2009.
Dentre as biocerâmicas de fosfato de cálcio, a hidroxiapatita (Ca10(PO4)6(OH)2) nanoestruturada é um dos biomateriais atrativos em aplicações biomédicas e odontológicas por apresentar características de bioatividade e similaridade mineralógica e composicional com a fase inorgânica do osso humano. Os nanocompósitos de hidroxiapatita/alumina nanocristalina emergem como promissores materiais em aplicações biomédicas por oferecem boa absorção, osseointegração e osseoindução que também contribuem para a reconstituição e formação do novo tecido ósseo precoce.
O presente trabalho de pesquisa teve como objetivo a síntese via úmida de uma matriz óssea de fosfato de cálcio nanoestruturada, para posterior elaboração da matriz hidroxiapatita e dos nanocompósitos hidroxiapatita/Al2O3 – α sol-gel nas concentrações de 1, 2, 3 e 5% em volume de alumina-α nanométrica dispersa na posição inter – intragranular na matriz óssea de hidroxiapatita. Este método permite a obtenção de pós nanoestruturados de hidroxiapatita formados por finas partículas com tamanho inferiores a 100 nm. O método por moinho atritor, utilizado para elaboração dos pós nanocompósitos, forneceu pós nanoestruturados apresentando boa dispersão da segunda fase Al2O3-α, em posição inter-intragranular na matriz cerâmica de hidroxiapatita.
Os estudos de caracterização foram realizados em nível da morfologia, da microestrutura, da nanoestrutura e do comportamento térmico, para os pós nanoestruturados obtidos do processo de síntese. Determinaram-se também as propriedades mecânicas para as diferentes composições de biomateriais obtidos da sinterização a 1250oC/2h.
Palavras – Chave: Biocerâmica. Fosfato de Cálcio. Hidroxiapatita. Nanoestrutura.
ABSTRACT
PETTO DE SOUZA, Júlio Cézar, Study and Characterization of Powders
Nanostructureds of Calcium Phosphates and Nanocomposites of Calcium Phosphates /Al2O3-α Sol - Gel for Biomedical Applications. 102 f. Dissertação de Mestrado em
Ciência e Engenharia de Materiais - Área Cerâmica – Universidade do Estado de Santa Catarina – Programa de Pós Graduação do Centro de Ciências Tecnológicas, Joinville, 2009.
In the groups of calcium phosphate bioceramics, hydroxyapatite (Ca10(PO4)6(OH)2) nanostructured is one of the attractive biomaterials in biomedical and odontological applications due to this characteristics of bioactivity and similarity mineralogical compositional with the inorganic phase of the human bone. The nanocomposites of hydroxyapatite nanometric and nanocrystalline alumina emerging as promising materials for offer a good absortion, osteointegration, osteoinduction those also contribute to reconstitution and formation of new precocious bone tissues
Does the present research work have as objective the synthesis method aqueous suspension from calcium phosphate nanostructured and subsequent elaboration of the nanocomposites hydroxyapatite/Al2O3 - α, in the concentrations of 1, 2, 3 and 5% in alumina nanometric disperse in the bone matrix of hydroxyapatite in the position inter - intragranular. This method allows the obtaining of nanostructured powders of hydroxyapatite formed by fine particles with inferior size to 100 nm. The method for mill atritor, used for elaboration of the powders nanocomposites, it supplied powders nanostructureds presenting good dispersion of the second phase Al2O3 -α, in position inter-intragranular in the matrix of hydroxyapatite.
It was studied the morphology, the micro and nanostructure and thermal behavior of powders syntherized. The mechanical proprieties were determined by matrix and different compositions of nanocomposites nanostructured syntherized at 1250oC.
viii
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO GERAL ... x 1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 12 1.1. BIOMATERIAIS ... 13 1.2. BIOCERÂMICAS... 16 1.2.1. Alumina ... 161.2.2. Biocerâmicas de Fosfatos de Cálcio... 19
1.2.3. Hidroxiapatita (HAp) ... 22
1.2.3.1. Propriedades de Bioatividade ... 23
1.2.3.2. Propriedades Mecânicas e Físicas da hidroxiapatita ... 25
1.2.3.3. Aplicações Biomédicas ... 26
1.2.3.4. Métodos de síntese ... 27
1.3. BIOCERÂMICAS NANOESTRUTURADAS... 28
1.3.1. Nanocompósitos ... 29
1.4. TÉCNICAS DE PROCESSAMENTO DE PÓS NANOESTRUTURADOS 30 1.4.1. Método convencional ... 30
1.4.2. Nanocompósitos Biomiméticos... 31
1.4.3. Engenharia de tecidos... 33
1.5. BIOLOGIA ÓSSEA ... 34
1.5.1. Composição óssea ... 34
1.5.2. Organização do tecido Ósseo ... 35
1.6. CONCLUSÃO... 37 2. MÉTODO EXPERIMENTAL ... 39 INTRODUÇÃO ... 40 2.1. CARBONATO DE CÁLCIO ... 40 2.2. ÓXIDO DE CÁLCIO... 42 2.3. ÁCIDO FOSFÓRICO ... 44 2.4. ÁGUA DESTILADA ... 44
2.5. ALUMINA-Α SOL-GEL NANOMÉTRICA (AL2O3-Α SOL-GEL) ... 45
2.6. SÍNTESE DO PÓ NANOESTRUTURADO DE FOSFATO DE CÁLCIO ... 46
2.6.1. Secagem do colóide... 47
2.6.2. Calcinação ... 48
2.7. ELABORAÇÃO DOS PÓS NANOCOMPÓSITOS ... 49
2.8. COMPACTAÇÃO ... 50
2.9. SINTERIZAÇÃO ... 50
2.10. CARACTERIZAÇÃO MORFOLÓGICA E MICROESTRUTURAL... 51
2.11. MÉTODOS DE CARACTERIZAÇÃO FÍSICA E MECÂNICA ... 52
2.11.1 Difratometria de Raios X ... 52
2.11.2. Medida da densidade hidrostática e porosidade aberta ... 52
2.12. CARACTERIZAÇÃO TÉRMICA... 53
2.12.1. Dilatometria... 53
2.12.2. Análise Térmica Diferencial (ATD)... 53
2.13. MEDIDA DA MICRODUREZA ... 54
2.14. MEDIDA DE RESISTÊNCIA À FLEXÃO 3 PONTOS ... 54
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO... 56
3.1. MEDIDAS DO PH DA SOLUÇÃO COLOIDAL DE FOSFATO DE CÁLCIO 57
3.2. CARACTERIZAÇÃO MORFOLÓGICA (MEV)... 58
3.2.1. Xerogel e Alumina ... 58
3.2.2. Aluminas de transição ... 59
3.2.3. Alumina-α Sol-Gel ... 60
3.2.4. Fosfato de Cálcio Hidratado... 60
3.2.5. Hidroxiapatita... 61
3.2.6. Nanocompósitos ... 62
3.3. MICROESTRUTURA DA MATRIZ HIDROXIAPATITA (MEV)... 65
3.4. MICROESTRUTURA DOS NANOCOMPÓSITOS OBTIDOS 1250ºC/2H ... 65
3.5. DIFRACTOMETRIA DE RAIOS X ... 68
3.5.1. Xerogel ... 69
3.5.2 Pó obtido do Evaporador Rotativo e da calcinação a 900ºC/2h ... 70
3.5.3. Pó de Hidroxiapatita obtida do Moinho Atritor ... 71
3.5.4. Nanocompósitos Hidroxiapatita/1, 2, 3 e 5% em volume de Al2O3-α sol-gel. ... 72
3.5.5. Matriz hidroxiapatita sinterizada... 73
3.5.6. Nanocompósitos de fosfato de cálcio/ 1, 2, 3 e 5% em volume de Al2O3-α sol-gel sinterizados a 1250oC/2 h. ... 75
3.6. COMPORTAMENTO TÉRMICO DOS PÓS NANOESTRUTURADOS ... 79
3.6.1. Dilatometria... 79
3.6.2. Análise Térmica Diferencial (ATD)... 82
3.7. MEDIDA DA RESISTÊNCIA À FLEXÃO 3 PONTOS ... 84
3.8. MEDIDA DA MICRODUREZA ... 87
3.9. DENSIDADE HIDROSTÁTICA E POROSIDADE ABERTA... 89
4. CONCLUSÃO GERAL E RECOMENDAÇÃO PARA TRABALHOS FUTUROS ... 90
x
Introdução Geral
A evolução conjunta das Ciências Exatas e Biológicas tem contribuído para o desenvolvimento de novos biomateriais sintéticos ou naturais. Os avanços ocorridos nestas áreas surgiram em razão da necessidade de novas técnicas e de novos biomateriais capazes de cumprirem as funções biológicas e pela perspectiva de um mercado promissor oriundos do grande número de publicações e patentes ocorridos nestas áreas do conhecimento. Tanto nos Estados Unidos como na Europa e no Brasil tem-se observado um número crescente de estudos sobre nanotecnologia e no desenvolvimento de novas técnicas e métodos de sínteses e de caracterização de biomateriais nanoestruturados e nanocompósitos. A produção de pós nanoestruturados de fosfatos de cálcio e nanocompósitos, são destaque e têm despertado interesse em diferentes áreas do conhecimento, dentro dos centros cirúrgicos médicos e odontológicos. Isto se deve por estes novos biomateriais apresentarem boas características de biocompatíbilidade, superfície de área elevada e estrutura mineralógica e cristalográfica similares ao osso humano, o que faz destes promissores em aplicações ortopédicas e odontológicas na fixação de implantes, na neoformação do tecido ósseo, o que pode contribuir com a recuperação do paciente mais rapidamente. Estas características melhoram a adesividade das células ósseas sobre a superfície de grãos, o que favorece a osseovascularização, a osseointegração e a absorção do biomaterial permitindo a reconstituição do tecido ósseo precocemente quando aplicados num meio biológico.
O presente trabalho de pesquisa teve como objetivo, a síntese e caracterização de uma matriz óssea de fosfato de cálcio hidratado pelo método via úmida, que posteriormente foi submetido ao tratamento térmico a 900ºC/2h, fornecendo a matriz nanoestruturada de hidroxiapatita. Esta foi utilizada, para produção dos pós nanocompósitos hidroxiapatita/Al2O3-α Sol-Gel nas concentrações de 1%, 2%, 3% e 5% em volume de alumina-α nanométrica nas respectivas composições. Para elaboração dos pós nanocompósitos utilizou-se o método de fragmentação mecânica por moinho atritor durante 4h. A elaboração de pós nanocompósitos teve como interesse a obtenção de biomateriais nanoestruturados com microestrutura microporosa interconectada, superfície de grãos e da microporosidade elevada, fatores que podem contribuir significativamente nos processos de osseoindução da osseointegração e da formação dos tecidos ósseos. Por fim serão apresentados os resultados obtidos pelos métodos de caracterização,
mineralógica, através da técnica de raios X (DRX), morfológica com ajuda da técnica de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e do comportamento térmico pela técnica de dilatometria.
Na primeira parte deste trabalho, apresenta-se uma revisão da literatura sobre as biocerâmica e biomateriais nanoestruturados.
Na segunda parte estão apresentadas as matérias primas utilizadas, o processo de síntese dos pós biocerâmicos nanoestruturados e as técnicas de caracterização.
Na terceira parte estão expostos os resultados e discussões dos estudos de caracterização realizados por diferentes técnicas e por fim é apresentada uma conclusão.
1.1. Biomateriais
A busca constante pelo aumento nos padrões de vida e da longevidade do Homem proporciona o desenvolvimento das Ciências de uma maneira geral, destacando-se principalmente, as Ciências Biológicas, Físicas e de Materiais. Este desenvolvimento gera alternativas de conforto aos seres humanos, através de tratamentos preventivos ou processos cirúrgicos no reparo e substituição de tecidos danificados por traumas e\ou patogenias. Os biomateriais são uma alternativa promissora dentro dos processos cirúrgicos em substituição às técnicas de autoenxerto, xenoenxerto e aloenxerto.
Na Conferência em Chester Reino Unido [1986] o termo biomaterial foi definido como toda substância (com exceção de drogas) ou combinação de substâncias, naturais ou sintéticas, que durante um determinado período é empregado como parte integrante de um sistema de tratamento ampliação ou substituição de quaisquer tecidos, órgãos ou funções corporais [HELMUS e TWEDEN, 1995].
Outra definição abrangente é a de Park [2002], na qual o autor define biomaterial como sendo todos os materiais que de modo contínuo ou intermitente, entram em contato com fluidos corpóreos, mesmo que estejam localizados fora do corpo.
A evolução dos biomateriais pode ser representada pela figura 01:
Figura 01 Evolução dos biomateriais. Adaptado de [MURUGAN; 2004].
Segundo a figura 01, as ligas metálicas formam a primeira geração de biomateriais até o final dos anos 60. A década de 70 definiu a segunda geração de biomateriais com o desenvolvimento de biovidros e biocerâmicas fosfatadas. Compósitos e nanocompósitos com alta superfície reativa biocompatibilidade e bioatividade formam a terceira geração de
P rim e ira g e ra ç ã o d e b io m a te ria is S e g u n d a g e ra ç ã o d e b io m a te ria is T e rc e ira g e ra ç ã o d e b io m a te ria is Q u a rta g e ra ç ã o d e b io m a te ria is !? 1 9 5 0 1 9 6 0 1 9 7 0 1 9 8 0 1 9 9 0 2 0 0 0 2 0 1 0 2 0 2 0 M e ta is e lig a s A ç o , titâ n io e tc C e râ m ic a s H a p , T C P . B io vid ro s P o lím e ro s P L G A e tc C o m p ó s ito s e N a n o c o m p ó s ito s H a p ;m e ta is n a n o H a p /co lá g e n o e tc E n g e n h a r ia d e te c id o s N an o c o m p ó s ito s n a n o H a p /c o lá g e n o / In te ra ç õ e s b io ló g ic o - c e lu la re s
14
biomateriais. Estima-se que a quarta geração atuará com os nanomateriais, os nanocompósitos a matriz osseocondutoras em conjunção com células osseogênicas.
Três características são fundamentais para os biomateriais: a biocompatíbilidade, a biofuncionalidade e a bioatividade.
a) Biocompatibilidade: está relacionada à aceitação do implante artificial e de suas
interações interfaciais entre tecido ósseo/biomaterial, condição que podem favorecer a absorção do biomaterial pelos tecidos circunvizinhos, formação de novos tecidos e biodegradação do biomaterial. A biocompatíbilidade é uma característica complexa que envolve aspectos físico-químicos, cirúrgicos e de projeto conforme representado na figura
02 [OREFICE et al., 2006].
Figura 02: Dependência da biocompatibilidade com diversos parâmetros do sistema [OREFICE; 2006].
b) Biofuncionalidade: está relacionada à capacidade do biomaterial desempenhar as funções estéticas e dinâmicas desejadas no meio implantado, como por exemplo,uma lente de PMMA conforme ilustrado nafigura 03.
Biocompatibilidade Reação química ao implante Cirurgia e esterilização Reação biológica ao implante Mobilidade ao implante Toxicologia Biodegradação Projeto e Fabricação
Figura 03: Exemplo de biofuncionalidade em uma lente de PMMA [PARK, 2002].
c) Bioatividade: é a capacidade que o biomaterial apresenta de interagir com tecidos vivos, estimulando os processos físico-químicos naturais ao sistema biológico favorecendo assim, a integração do biomaterial com o sistema receptor [OREFICE et al, 2006; CAMARGO, 2009; CAMARGO, 1998]. A figura 04 ilustra a seqüência de eventos relacionados à bioatividade de um implante.
Figura 04. Seqüência de efeitos em cascata de reações na interface biomaterial tecido (OREFICE et al.; 2006).
O desempenho da bioatividade dos biomateriais em meio biológico e/ou fisiológico depende da composição química, da morfologia de grãos e da arquitetura do biomaterial. Estas características podem levar a modificação do processo interfacial biomaterial/tecidos adjacentes [HE, 2008]. Superfície Adsorção de moléculas Integração celular Reação tissular e integração
16
1.2. Biocerâmicas
As biocerâmicas são historicamente os materiais mais antigos já constatados como elemento de substituição óssea, e suas aplicações médicas datam do Antigo Egito, onde enchimentos e dentes artificiais foram encontrados em múmias [TAS, 1997]. O “gesso de
Paris” de Dressman, publicado em 1892, preenchia defeitos ósseos [TAS, 1997; KAWACHI 2000]. Mas foi a partir da década 1960 que as biocerâmicas apresentaram maior destaque como biomateriais sendo utilizadas na Ortopedia [MEARS, 1977].
As biocerâmicas são definidas como materiais sólidos inorgânicos, inertes ou não quimicamente, constituídos por uma ou mais fases cristalina ou amorfa. [GILAPA; 2001]. Os materiais biocerâmicos apresentam de maneira geral alta dureza (HV), baixo coeficiente de tenacidade à fratura (KIC), altas temperaturas de fusão, baixa condutividade térmica e elétrica e, algumas biocerâmicas apresentam relevante estabilidade química. As biocerâmicas se destacam em relação aos metais e poliméricos, por demonstrarem melhor estabilidade química superficial, e biocompatibilidade quando comparado a outros grupos de materiais empregados como implantes [BARRY, 2007]. As biocerâmicas são também denominadas, cerâmicas de alta tecnologia ou cerâmicas avançadas.
A obtenção de biomateriais a partir de pós cerâmicos de alta pureza tem por objetivo a produção de biocerâmicas capazes de reparar, substituir ou reconstruir tecidos ósseosdanificados ou doentes [DELIMA, 2008 (a); BELLINI, 2007].
As propriedades das biocerâmicas dependem das características das matérias - primas usadas, do método de processamento e mistura das fases constituintes do pó biocerâmico. Dentre as biocerâmicas existentes destacam-se a alumina-α os fosfatos de cálcio-α e β e a hidroxiapatita.
1.2.1. Alumina
O termo alumina engloba a família de mais de 25 polítipos entre óxidos hidratados, cristalinos e amorfos [HART, 1991; CAMARGO, 1995].
A alumina-alfa de alta densidade e alta pureza (>99,5%) foi à primeira biocerâmica amplamente usada na área clínica [DAUZAT, 1987]. A estabilidade química, resistências à corrosão e ao desgaste conferem a esta biocerâmica grande aplicabilidade biomédica
[VERNÈS, 2002]. A figura 05 representa a meia malha unitária do sistema cristalino
romboédrico da alumina-alfa.
Figura 05: Representação esquemática de meia alumina alfa [DAUZAT, 1987].
Por ser um material estável quando implantado “in vivo” induz a formação de cápsulas fibrosas não aderentes na interface implante/tecido ósseo que lhe confere uma boa estabilidade química.
Entretanto, a qualidade da fixação, está relacionada à metodologia cirúrgica empregada e às características de interface entre biomaterial/tecido ósseo. Sabe-se que, uma má fixação do implante e a elevada rugosidade na superfície da biocerâmica de alumina-α podem inibir a qualidade e eficiência do implante após o processo cirúrgico podendo até causar a rejeição do biomaterial [CAMARGO, 2009 (a); KARVAT, 2005; HENCH, 1998].
O acabamento superficial de peças em alumina-α é de extrema importância, visto que esse biomaterial é bioinerte conferido a aplicabilidade desta biocerâmica em regiões de articulações sujeitas á esforços mecânicos tais como placas para substituições de joelhos, reconstrução maxilo-facial, parafusos cranianos entre outros.
A tabela 01 descreve as características e propriedades físicas das biocerâmicas a base de alumina de alta pureza para aplicações biomédicas, segundo a Associação Brasileira de Normas Técnicas [NBR-ISO 6474, 1998] e a ASTM (American Society for Testing and Materials – Standard) - Specification for High Purity Dense Aluminum Oxide for Surgical Implant Application) – [ASTM F 603-83. 1995].
18
Tabela 01. Características e propriedades da alumina para aplicações biomédicas segundo NBR-ISO 6474 (1998) e ASTM F 603-83 (1995).
Propriedade
Unidade Requisitos
Ortopedia
Requisitos
Odontologia
Pureza Al2O3 % peso > 99.5 ≥ 99,5
Aditivo de sinterização MgO % peso ≤ 0,3 ≤ 0,3 Impurezas SiO2+CaO+óxidos % peso ≤ 0,1 ≤ 0,1
Densidade g/cm3 ≥3,94 ≥3,90
Tamanho médio de grão Desvio padrão
µm ≤ 4,5
≤2,6
≤ 7,0
≤3,5 Resistência à flexão biaxial MPa ≥ 250 ≥ 150 Resistência à compressão MPa > 4000 > 3000 Módulo de elasticidade GPa > 380 > 370
As aplicações ortopédicas articuladas demandam melhores características tribológicas exigindo um controle dos processos de sinterização para obtenção de grãos com tamanho médio inferiores a 4,5µm. Estas condições apresentam os melhores resultados de propriedades tribológicas para as biocerâmicas de alumina-α. [HENCH, 1998].
A tabela 02 ilustra resultado das propriedades mecânicas da alumina-α obtido por diferentes autores
Tabela 02: Resultados das propriedades da alumina-αααα obtidos por diferentes autores, utilizada em implantes
Propriedade Valor Referência
Densidade (g/cm3) 3,85 – 3,99 > 3,90 ≥ 3,97 ≥ 3,90 BARRY, 2007 HENCH, 1991; 1998 PICONI ET AL., 1999 OREFICE ET AL., 2006 Módulo de Elasticidade (GPa) 380 – 410 380 400 BARRY, 2007 PICONI ET AL., 1999 OREFICE ET AL., 2006 Tenacidade à Fratura (MPa m1/2) 3,0 – 6,0 4,0 5,0 BARRY, 2007 PICONI ET AL.. 1999 OREFICE ET AL., 2006 Resistência à Flexão (MPa) 400 100 595 HENCH, 1991; 1998 PICONI ET AL.. 1999 OREFICE ET AL., 2006 Coeficiente de Expansão térmica (K-1) 6 -9 10-6 8,8 10-6 BARRY, 2007 ABRENS, 1995
1.2.2. Biocerâmicas de Fosfatos de Cálcio
As cerâmicas de fosfatos de cálcio merecem destaque por apresentarem boas características de biocompatibilidade, bioatividade e contribuírem com o processo de osseoindução [DELIMA, 2008 (b); CAMARGO, 2007 (b); HENCH, 1998; DE GROOT, 1983] sendo empregadas na Medicina e Odontologia. [KUMITA, 2005].
O fosfato tricálcio existe sob duas formas alotrópicas, sendo que a baixas temperaturas encontra-se na forma estável TCP-β e em temperaturas acima de 1125oC na fase estável TCP−α. As características físico-químicas do TCP são instáveis em presença de umidade e apresentam boas características fisiológicas quando implantados favorecendo a osseoindução e biodegradação do biomaterial, formação de um novo tecido ósseo pela
20
decomposição do TCP em meio fisiológico para formar a hidroxiapatita [BELLINI, 2007, SANTOS, 2008; HENCH, 1998].
A tabela 03 ilustra os polítipos de fosfatos de cálcio e suas composições químicas em relação à razão molar Ca/P.
Tabela 03: Representação dos polítipos de fosfatos de cálcio e suas composições químicas em relação à razão molar Ca/P [BROWN, 1994].
Fosfato de cálcio
Fórmula
química
Razão
Ca/P
Mono-hidrogênio fosfato de cálcio (DCPA) monetita CaHPO4. 1,0 Mono-hidrogênio fosfato de cálcio dihidratado
(DCPD) (bruxita)
CaHPO4. 2H2O 1,0
Tirofostato de cálcio (CPP) Ca2P2O7. 1,0
Fosfato octacálcio (OCP) Ca8H2(PO4)6.5H2O 1,33 Fosfato tricálcio (
α
, β) (TCP) Ca3(PO4))2 1,5 Fosfato de cálcio amorfo (ACP) Ca3(PO4))nH2O 1,5Hidroxiapatita (HAp) CA10(PO4)6(OH)2 1,67
Fosfato tetracálcio (TTCP) Ca4P2O9 2,0
O fosfato de cálcio beta (TCP-β) e a hidroxiapatita estequiométrica (Ca10(PO4)6(OH)2), são os polítipos de fosfatos de cálcio, largamente empregados dentro dos centros cirúrgicos ortopédicos e odontológicos [JUN, 2003].
A estabilidade das fases de fosfato de cálcio depende da temperatura e do pH do meio [HENCH, 1998; BROWN: 1994]. O diagrama da figura 06 ilustra a variação da solubilidade molar das cerâmicas de fosfato de cálcio em função do valor do pH do meio, que pode inibir ou favorecer a liberação dos íons de Ca2+ para o meio [BROWN, 1994].
Figura 06: Solubilidade de várias fases de fosfatos no sistema Ca (OH)2-H3PO4-H2O
em função da concentração de cálcio e pH [BROWN: 1994].
A variação na composição e a solubilidade distinta provocam mudanças na estabilidade “in vivo” dos diferentes polítipos de fosfatos de cálcio, sendo que existe uma ordem decrescente de solubilidade destes biomateriais, conforme observado pelos diferentes autores [DACULSI, 1998; BROWN, 1994]:
ACP > TTCP >>
α
–TCP >> β –TCP >> HApAs biocerâmicas de fosfato de cálcio, obtidas por processos sintéticos são as que apresentam uma arquitetura e estrutura cristalina, bastante próxima à estrutura do esqueleto humano. A figura 07 (a) ilustra os resultados do estudo comparativo dos difratogramas de Raios X entre a hidroxiapatita, fosfato de cálcio-β, osso humano natural e osso sintético (bovino). Estes resultados evidenciam uma diferença significativa na intensidade dos picos de cristalização das fases, observando melhor cristalização para as fases HAp e TCP−β
[LEGEROS, 1983]. As estruturas cristalinas das cerâmicas de fosfato de cálcio exercem uma função direta sobre os processos de dissolução interfacial, interferindo na troca de íons de Ca+2 para o meio onde se encontram aplicados. Isto depende da composição química da estrutura cristalina e da estabilidade da fase do biomaterial.
Já a figura 07 (b) ilustra os histogramas comparativos de liberação de íons Ca2+ da hidroxiapatita, do osso humano e do TCP-β em solução com pH = 6, temperatura de 37ºC
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e tempo de dissolução de 60min, Os resultados mostraram melhor desempenho de absorção de íons Ca2+ para o caso do biomaterial formado pelo osso humano, seguido pelo TCP-β. [LEGEROS, 1988, 1983].
Figura 07. (a) Difratogramas de raios X comparativo entre a HAp comercial (A); TCP- β (B): osso humano(C) e osso artificial (D) [LEGEROS, 1983]; 7(b) Taxa de dissolução dos íons cálcio (mMol/L) a 37oC e pH 6 por 60 minutos [LEGEROS, 1988;
1983].
1.2.3. Hidroxiapatita (HAp)
A hidroxiapatita estequiométrica (Ca10(PO4)6(OH)2) é uma das fases mais estudadas, devido à similaridade química e cristalográfica com a matriz óssea dos tecidos duros (ossos e dentes) [JUN, 2003]. Estudos já realizados por diferentes autores constataram para esta composição haver dois tipos de célula unitária cristalográfica; a monoclínica e a hexagonal [KAY, YOUM et al.. 1964]. A modificação da estrutura cristalográfica monoclínica para a hexagonal ocorre à temperatura de aproximadamente 370 oC [ELLIOTT, 1994].
A presença de íons cálcio e fósforo, bem como a estrutura cristalina aberta conforme mostrado na figura 08 favorece a biocompatíbilidade dessas biocerâmicas
Figura 08: Representação da malha unitária da estrutura cristalina da Hidroxiapatita ao longo do eixo “c” [ELLIOT, 1994].
1.2.3.1. Propriedades de Bioatividade
Após o implante, as biocerâmicas fosfatadas formam apatitas carbonatadas intimamente associadas à matriz orgânica da estrutura óssea, caso já observado por diferentes autores [LEGEROS, 1991, 1990: HEUHEBAERT 1988]. A figura 09 ilustra o processo de dissolução, ocorrida pela presença da solução ácida produzida pelas células circunvizinhas, sobre a superfície de grãos e da microporosidade, favorecendo a formação da apatita carbonatada pelos processos de precipitação direta ou por hidrólise. Observa-se que os processos de bioatividade estão relacionados ao tamanho e morfologia dos grãos ou partículas, à microporosidade e à interconexão dos microporos do biomaterial.
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Figura 09: Representação esquemática da dissolução (1), precipitação (2,4) e hidrólise (3) envolvendo a formação de cristais de apatitas carbonatadas á partir de superfícies
com HAp e TCP-β [BROWN; 1994].
Estudos realizados por diferentes autores mostram que a substituição de alguns íons nas apatitas pode causar mudança nas propriedades físico-químicas tais como: alteração no parâmetro de rede (refletindo no tamanho e quantidade do substituto), cristalinidade (tamanho do cristal e/ou tensões), morfologia do cristal e propriedades de dissolução. O íon carbonato CO32− possui grande relevância biológica, quando combinados com íons de Na+ ou Ca2+, favorecem a substituição dos íons PO43−em sistemas aquosos a baixas
temperaturas (25oC a 100oC), através do processo de precipitação ou por hidrólise
[LEGEROS et al., 1991; LEGEROS et al., 1989 (b); LEGEROS E TUNG 1983; LEGEROS et al., 1967; BROWN et al., 1981, 1976; LEGEROS et al., 1971, 1970; ZAPANTA, 1965]. Essa substituição retrai o eixo “a” e expande o eixo “c” [LEGEROS et al., 1991; LEGEROS et al., 1971; LEGEROS et al., 1967] diminuindo a cristalinidade e o tamanho do cristal, alterando a forma acircular para alongada e achatada [LEGEROS et al., 1991, LEGEROS et al, 1970, 1967; LEGEROS et al., 1989 (a); 1971, 1970, 1967], aumentando assim a dissolução das apatitas carbonatadas [LEGEROS 1991, 1967; LEGEROS et al., 1983].
HAp Ca10(PO4)6(OH)2
TCP Ca3(PO4)2 H+ (1) Ca2+ + HPO42- + PO4 3-CaHPO4.2H2O (DCPD) Ca4(PO4)2O (TTCP) (2) (3) (Ca,Mg,Na)10(CO3,HPO4,PO4)6 (OH,Cl, F)2
APATITA BIOLÓGICA CO3-APATITA
Ca2+, Na+, Mg2+, HPO42- +
PO43-, CO32- (moléculas orgânicas)
FLUIDOS BIOLÓGICOS (OH)
-(4)
-Os íons fluoreto também atuam como agentes substituintes nas apatitas biológicas. A substituição de OH- pelo F- causa contração no eixo “a” sem efeitos significativos no eixo “c”. A cristalinidade é aumentada formando-se cristais maiores e mais compactos
[LEGEROS et al., 1991]. A apatita torna-se mais estável e menos solúvel [LEGEROS et al., 1991; LEGEROS et al, 1983; MORENO, 1977]. Esse tipo de mecanismo é empregado para inibição de cáries dentárias. A adição e incorporação do fluoreto aumentam a razão molar Ca/P, aproximando-a do valor estequiométrico [LEGEROS, 1991; LEGEROS e al., 1988; INGRAM 1980]. A figura 10 representa o efeito de alguns íons substituintes:
Figura 10: Efeito de diferentes íons na forma do cristal de hidroxiapatita [PUTLYAEV E SAFRONOVA; 2006].
1.2.3.2. Propriedades Mecânicas e Físicas da hidroxiapatita
As propriedades mecânicas da hidroxiapatita, tais como o baixo coeficiente de tenacidade à fratura e da resistência à flexão, limitam o uso deste biomaterial em regiões que exigem solicitações mecânicas e tribológicas elevadas [SLOSARCZYK; 1998]. A tabela 04 ilustra resultados de propriedade mecânicas e físicas da hidroxiapatita obtidos por diferentes autores.
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Tabela 04. Resultados de propriedades mecânicas e físicas da hidroxiapatita sintética, obtidos por diferentes autores.
Propriedade Valor Referência
Densidade (g/cm3) 3,10 3,16 3,16 3,21 BARRY, 2007
DEER, 1962; TOY,1973 YOUNG; 1975 OREFICE ET AL., 2006 HENCH, 1991; 1998 Módulo de Elasticidade (GPa) 80 – 120 77 - 85 80 – 110 BARRY, 2007 PICONI ET AL., 1999
OREFICE ET AL., 2006; HENCH, 1991; 1998 Tenacidade à Fratura (MPa m1/2) 0,6– 1,0 1,0 1,0 BARRY, 2007 HENCH, 1991; 1998 OREFICE ET AL., 2006 Resistência à Flexão (MPa) 115 - 200 102- 125 115 HENCH, 1991; 1998 PICONI ET AL., 1999 OREFICE ET AL., 2006 Coeficiente de Expansão térmica (K-1) 11 10-6 11-14 10-6 BARRY, 2007
TROMBE, 1978; HOLCOMB, 1980; BROWN, 1994
1.2.3.3. Aplicações Biomédicas
A hidroxiapatita é um biomaterial já bem estudado e é empregado principalmente na ortopedia, traumatologia e odontologia [BELLINI, 2007; SOARES, 2006].
● Na Ortopedia: utilizada no tratamento de defeitos do esqueleto humano e reconstituição de perda óssea.
● Na Traumatologia á aplicada no reparo de fraturas, alongamento ósseo, regeneração óssea perdida e estabilização mecânica.
● Na Odontologia pode ser usada no tratamento da superfície dental perdida por caries ou por fratura, na recuperação da estrutura do esmalte perdida por ataques ácidos ou pelos tratamentos estéticos de clareamento e de remineralização do esmalte sobre a superfície dental.
A figura 11 mostra algumas possibilidades do uso da hidroxiapatita no corpo humano [HENCH e WILSON, 1993].
Figura 11: Aplicações da hidroxiapatita. Adaptado de [HENCH e WILSON, 1993].
1.2.3.4. Métodos de síntese
Daubrée [1851] foi o primeiro a sintetizar a hidroxiapatita passando vapor de tricloreto fósforo (PCl3) sobre cal aquecida. Os métodos de síntese de hidroxiapatita podem ser divididos em 3 classes conforme a Tabela 05. Os processos de reatividade em estado sólido a altas temperaturas, o processo via úmida a baixas temperaturas e o método de reações hidrotérmicas a altas temperaturas e pressão em solução aquosa são descritos por diferentes autores.
Tabela 05: Técnicas de síntese da hidroxiapatita.
Técnica Materiais iniciais Condições de síntese Referência Reações em estado sólido Ca3(PO4)2 +CaCO3 + Ca3P2O7 T = 900-1500oC
Usando vapor de água
BROWN, 1994
Via úmida Ca(NO3)2 + (NH4)2PO4
Ca(OH)2 + H3PO4
T > 100oC pH 5-12
KOTHAPALLI ET AL., 2004
Hidrotérmica Soluções contendo cálcio e fosfatos HATA, 1983
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1.3. Biocerâmicas nanoestruturadas
A produção de pós nanoestruturados de fosfatos de cálcio e nanocompósitos, fosfatos de cálcio reforçados com nanopartículas de SiO2, Al2O3 e TiO2, são temas atuais de pesquisa e têm se destacado em aplicações biomédicas, devido às novas características que estes apresentam na fixação de implantes, na osseointegração, na absorção e no reparo do tecido ósseo [CAMARGO, 2009 (b); CAMARGO, 2007 (a); DELIMA, 2008 (a); SANTOS, 2008; BELLINI, 2007; SILVA, 2007; VISWAMATH, 2006; SOARES, 2006]. O crescente interesse pelas biocerâmicas nanoestruturadas está relacionado às novas características que estes biomateriais podem oferecer tais como, a microestrutura e a nanoestrutura microporosas, elevada área superficial de grãos e de microporos, estrutura cristalográfica similar a do esqueleto humano e a boa biocompatíbilidade [CAMARGO, 2009 (a); DELIMA, 2008 (b)].
Os nanomateriais possuem unidade estrutural básica na faixa de 1-100nm [WEBSTER et al, 2001]. A síntese e elaboração de biomateriais nanoestruturados têm gerado repercussões de toda ordem: interesses científicos, de mercado, políticos, governamentais e sociais [CAMARGO, 2007 (b)]. Os materiais nanocompósitos são desenvolvidos com o intuito de melhorar as características micro e nano estruturais, através da microporosidade do biomaterial, além de procurar manter o nível de propriedades mecânicas do biomaterial similar a do osso cortical [SILVA, 2007].
A literatura descreve que os materiais nanocompósitos podem ser sintetizados como sólidos cristalinos ou amorfos (nano cristais), em camadas ou multicamadas, em revestimentos (nano revestimentos), pós extremante finos (nano pós) e fibras (nano fibras)
[WEBSTER et al, 2001; WEBSTER et al, 2000 (b)].
Estudos ”in vitro” e “in vivo” realizados por diferentes autores evidenciaram o aumento da viabilidade celular óssea com o emprego de biocerâmicas nanométricas de alumina, de hidroxiapatita e de titânia [GUTWEIN, 2002; WEBSTER et al., 2001]. Estas cerâmicas, quando na forma particulada esférica e/ou equi-axiais com diâmetro inferior a 100nm, proporcionam em suas superfícies a liberação de íons de Ca e P, aumentando a absorção de cálcio e favorecendo a mineralização precoce da matriz óssea, [KLABUNDE et al., 1996]. Diferentes autores [DELIMA, 2008 (b); GUTWEIN, 2002, WEBSTER et al, 2001; WEBSTER et al, 2000 (a)] constatam que a utilização de biomateriais nanoestruturados favorece a osseointegração, a osseoindução através da proliferação das células de osteoblastos, e outras células ósseas sobre a superfície das nanopartículas e para o interior dos microporos e nanoporos dos grânulos.
Isto está relacionado com o maior número de pontos de interação das biocerâmicas nanométricas quando comparado às convencionais (micrométricas). A figura 12 ilustra um esquema de formação de pontes de OH- relacionando biomateriais nanoestruturados e convencionais:
Figura 12: Comparação entre a distribuição convencional dos átomos e a superfície de um material nanométrico (a) e um material convencional (b).
Adaptado de [WEBSTER, 2003. KLABUNDE et al., 1996].
Observa-se na figura 12 que quanto maior a área superficial das nanopartículas, maior é a possibilidade de pontos de interações (OH-) entre o biomaterial e o organismo hospedeiro. Isto permite melhor oxigenação do meio biológico e adsorção de íons de Ca, P pela dissolução do biomaterial possibilitando assim, melhores condições para a proliferação das células de osteoblastos, formação de colágeno, regeneração do tecido ósseo e mineralização da estrutura óssea. [WEBSTER et al, 2001; WEBSTER et al, 2000 (a); KLABUNDE et al., 1996].
1.3.1. Nanocompósitos
Os nanocompósitos podem ser definidos como uma combinação de dois ou mais constituintes no qual pelo menos uma das fases se apresenta na escala nanométrica (d < 100nm) [WEBSTER et al, 2000 (b)]. Já CAMARGO [1995] define nanocompósito como um material constituído por uma ou mais fases descontínuas e dispersas dentro de uma fase contínua. Sendo que, a fase descontínua (reforço) normalmente apresenta características e propriedades mecânicas superiores a da fase contínua (matriz). Para o caso de muitas fases
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descontínuas de natureza diferentes, dispersas dentro da fase contínua o material nanoestruturado é chamado de nanocompósito ou híbrido [CAMARGO, 1995].
Os nanocompósitos são os nanomateriais reforçados com nanopartículas, fibras ou plaquetas com tamanhos inferiores a 100nm dispersas principalmente em posição intragranular (dentro dos grãos da matriz) e/ou em posição intergranular (no contorno de grãos da matriz).
As biocerâmicas unifásicas, nem sempre apresentam características de microestrutura e propriedades satisfatórias, quando aplicadas, como elemento matricial, na reconstituição do tecido ósseo. Tem-se observado na bibliografia que muitas vezes estes biomateriais não atingem os mesmos resultados obtidos por um implante autógeno ideal.
Atualmente, observa-se um avanço significativo da Nanociência e da Nanotecnologia, o que tem impulsionado os estudos de síntese e caracterização de biomateriais nanoestruturados e nanocompósitos. Nesta classe de biomateriais, os nanocompósitos de hidroxiapatita/alumina têm apresentado resultados encorajadores na osseointegração, na reconstituição e na formação de um novo tecido ósseo, devido à alta bioatividade promovida pelas duas fases em escala nanométrica e as novas características microestruturais, nanoestruturais e de microporosidade [VISWANATH, 2006]. Isto tem despertado grande interesse pelos centros cirúrgicos ortopédicos e odontológicos, por estes biomateriais apresentarem e de bioatividade. [CAMARGO, 2009 (a); WEBSTER et al, 2000 (a)]. A produção destes nanomateriais é um potencial em desenvolvimento em busca do aprimoramento das características e propriedades físicas, microestruturais, nanoestruturais e da microporosidade e sua interconexão com os tecidos vivos [KUMTA; 2005; TAMPIERI 2003; WEBSTER et al, 2000 (a)].
1.4. Técnicas de processamento de pós nanoestruturados
Dentre as formas distintas de processamento de nanomateriais, encontradas na bibliografia, destacam-se o método convencional, a síntese biomimética e a engenharia de tecidos [LIOU et al., 2003].
1.4.1. Método convencional
Este método permite a obtenção de biomateriais nanocompósitos através da mistura de dois ou mais constituintes que apresentam características morfológicas e composição química distintas, sendo uma das fases da ordem nanométrica. Inúmeros são
os exemplos descritos pela literatura. Dentre estes se destacam os nanocompósitos formados por hidroxiapatita e colágeno altamente osseoindutores [KIKUCHI, 2004] e os
biomateriais nanocompósitos de hidroxiapatita/alumina−α formados por uma microporosidade interconectada, com elevada área superficial de grãos e dos microporos, contribuindo com a osseoindução, a absorção, reparo e a formação de um novo tecido ósseo [DELIMA, 2008 (a); VISWAMATH, 2006; AHN, 2001]. A figura 13 ilustra a técnica de processamento de pós compósitos e nanocompósitos via moinho atritor.
Figura 13: Ilustração da técnica de síntese de pós nanoestruturados via moinho atritor
Esta técnica de processamento não é recomendada, quando se deseja manter as características iniciais dos constituintes da mistura, visto que a utilização de um moinho atritor de alta energia pode modificar as características morfológicas, físicas e químicas das partículas, durante o processo de mistura [VISWAMATH, 2006; SONG 2003].
1.4.2. Nanocompósitos Biomiméticos
A síntese biomimética pode ser definida como uma técnica de processamento de biomateriais com características especificas que podem mimetizar os mecanismos biológicos parcial ou integralmente com o biomaterial [GREEN, 2003]. Esta técnica conduz a produção de biomateriais com estruturas altamente ordenadas, com composição híbrida
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ou não, textura complexa com cristais ultrafinos, o que tem apresentado bom desempenho em estudos biológicos [GREEN, 2003; STUPP. 1997 (a)]. A figura 14 ilustra a nucleação e
crescimento de cristais de apatita dentro de uma solução simulando a composição do colágeno, através da técnica biomimética:
Figura 14: Representação um esquema de síntese biomimética e de nucleação de hidroxiapatita dentro de uma solução simulando colágeno [ROVERI, 2003].
Esta técnica ilustra um sistema de troca de íons Ca2+, PO43- e OH-, provenientes da dissociação de Ca(OH)2 e H3PO4 em solução aquosa a 25oC em função do valor do pH entre 8 e 10, onde ocorre a deposição de nano cristais de hidroxiapatita sobre a matriz de colágeno através da dissociação iônica. Em seguida ocorre a nucleação e crescimento dos cristais de hidroxiapatita sobre a matriz de colágeno. Segundo KIKUCHI [2004], na última etapa, os nano cristais de hidroxiapatita apresentam o eixo “c” de suas estruturas alinhadas ao longo das fibras de colágeno, em um arranjo similar a encontrada em ossos de vertebrados [ROVERI, et al., 2003].
Este método permite o desenvolvimento de biomateriais nanocompósitos de hidroxiapatita sobre fibras de colágeno pela técnica biomimética. Segundo a bibliografia,
estes nanomateriais são promissores em aplicações cirúrgicas ortopédicas na reconstrução maxilo - faciais [KIKUCHI, 2004; ROVERI, 2003].
1.4.3. Engenharia de tecidos
A Engenharia de Tecidos é uma ciência inovadora que estuda o comportamento dos biomateriais em meios biológicos e suas interações. Consiste em um conjunto de conhecimento e técnicas de Engenharia e Biociências para o desenvolvimento de substituintes biológicos capazes de restaurar, manter e aprimorar as funções teciduais do corpo humano [PONDER et al., 1991]. A figura 15 ilustra o desenvolvimento de nanocompósitos via Engenharia de Tecidos
Figura 15: Representação esquemática de nanocompósito aplicado à engenharia dos tecidos. Adaptado de [STUPP, 1997 (b)].
A regeneração de órgãos e tecidos vivos ocorre através do recrutamento de tecido do próprio paciente (células osseogênicas tais como osteoblastos, fibroblastos ou ostecitos), que são dissociados em solução contendo proteínas de colágeno e fator de crescimento BMP (proteínas ósseas morfogenéticas produzidas pelos osteoblastos e atuam na formação óssea) e cultivados sobre suportes biológicos (autoenxerto ósseo) ou sintéticos (hidroxiapatita nanométrica) conhecidos como “scaffolds” para então serem reinseridos no paciente [RHEE, 2001;LIAO, 2004 (a); ZHANG, 2003].
Hidroxiapatita nanométrica Colágeno Precursores osseocondutores Células osseogênicas Fator de crescimento (BMP) nanocompósito Implante Regeneração óssea Osso regenerado
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1.5. Biologia Óssea
O osso é uma forma altamente especializada de tecido conjuntivo, de origem mesenquimatosa. Apresenta sua matriz extracelular mineralizada o que confere notável rigidez e força ao esqueleto, mantendo ao mesmo tempo, certo grau de elasticidade.
O tecido ósseo atua não somente como suporte mecânico, mas como reserva de mineral principalmente cálcio e fósforo. É extremante dinâmico por possuir a capacidade de auto-regeneração e auto-modelagem [BOYLE et al., 2003].
1.5.1. Composição óssea
A matriz óssea é composta por duas fases majoritárias em escala nanométrica; a fase orgânica (proteínas) e a inorgânica (minerais) conforme mostrado na tabela 06
[MURUGAN. 2004].
Tabela 06: Composição do tecido ósseo [MURUGAN. 2004].
Fase Inorgânica % em peso Fase orgânica % Em peso Hidroxiapatita ~ 60 Colágeno ~ 20 Carbonato ~ 4 Água ~ 9 Citrato ~ 0,9 Proteínas ~ 3 Sódio ~ 0,7 Magnésio ~ 0,5 Outros (Fe2+ K+,Zn2+,Cl-) --- Outros (polissacarídeos, lipídeos), (células ósseas primárias)
---
Nota-se na Tabela 06, na fase inorgânica, a concentração superior da porcentagem em peso da fase mineral hidroxiapatita [LOWESNSTAM, 1989], observando em menores porcentagens para as composições, tais como o carbonato, citrato, sódio, magnésio, fluoreto e cloreto que variam conforme a função metabólica do tecido ósseo. A principal
função dos minerais é promover resistência e dureza ao tecido ósseo enquanto o colágeno, principal constituinte da fase orgânica, proporciona resistência à tensão e a flexão.
A fase orgânica é composta principalmente por colágeno, os lipídeos, em torno de 2% do peso, que atuam no metabolismo celular do tecido ósseo e são importantes precursores da fase inicial de mineralização óssea [AUBIN, 1996].
A presença de água na fase orgânica de todos os tecidos ósseos promove a proliferação de células ósseas primárias e determina as propriedades biomecânicas do tecido ósseo conforme ilustrado na tabela 07 [MORUGUN, 2004; BLACK 1988; JEE, 1983].
Tabela 07: Propriedades mecânicas do tecido ósseo [MURUGUN, 2004; BLACK 1988; JEE, 1983].
Propriedades
Osso Cortical Osso Esponjoso
Módulo de Young (GPa) 14 - 20 0,05 – 0,5 Resistência à Tensão (MPa) 50 - 150 10 - 20 Resistência à Compressão (MPa) 170 - 193 5 – 10 Tenacidade à Fratura (MPa m1/2) 2 - 12 0,1 Densidade (g/cm3) 1,8 – 2,2 0,1 – 1,01.5.2. Organização do tecido Ósseo
A organização de formação celular do tecido ósseo segundo Currey [2002] é constituída por cinco classes:
● células osseogenitoras – capazes de se dividirem e se diferenciarem originando outras classes de células ósseas.
● Osteoblastos – responsáveis pela formação de novos tecidos ósseos. Essas células secretam colágeno, e em seguida o recobrem com proteínas não colagenosas capazes de interagirem com minerais, principalmente cálcio e fosfatos.
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● Ostecitos – células maduras derivadas dos osteoblastos. São responsáveis pela manutenção do tecido ósseo. Atuam também como transportadores de minerais entre os ossos e o sangue.
● Osteoclastos – são encontrados na superfície óssea e atuam na dissolução de minerais via ácida ou enzimática.
● Células de revestimento – encontradas na superfície do osso maduro e são responsáveis pela regulação e transporte e fluxo de minerais do tecido ósseo.
A estrutura óssea pode ser considerada como arranjos em escala micro e nanométrica para o estabelecimento de várias funções incluindo o transporte de nutrientes, oxigênio e fluidos corporais ao longo de sua estrutura [DUCY, 2000; COWIN, 1987]. A figura 16 ilustra a estrutura organizacional do tecido ósseo em diferentes escalas [COWIN, 1987].
Figura 16: Arranjo da estrutura óssea em macro e nano-escala. Adaptado de [COWIN 1997]
Conforme a figura 16, o esqueleto é composto por estruturas corticais (osso denso) e esponjosas. O osso cortical é responsável por 80% da massa esquelética. É formado por uma série de estruturas que estão muito próximas chamadas ósteons. Este tipo de estrutura óssea se torna efetivamente resistente à solicitação mecânica, apresentando boas propriedades mecânicas á flexão, a compressão e a torção. Está estrutura se encontra nas
epífises dos ossos longos, e é encontrado como revestimento de todos os ossos do organismo.
O osso esponjoso, trabécular ou poroso corresponde a 20% da massa esquelética do corpo humano. Por ser menos denso e compacto que o osso cortical apresenta maior porosidade e concentração de vasos sanguíneos.
Em escala nanométrica, a estrutura óssea apresenta fibras de colágeno formadas por uma rede de moléculas de colágenos e cristais de hidroxiapatita em escala sub – nanométrica. Estas substâncias juntamente com polissacarídeos formam um tecido de sustentação e está em constante remodelação - através do qual , o “osso velho” é substituído por “osso novo”, através de um mecanismo mediado pelos osteoblastos e os osteoclastos [DUCY, 2000; AUBIN, 1996; COWIN, 1987].
1.6. Conclusão
O estudo bibliográfico demonstrou existir um acentuado desenvolvimento na área dos biomateriais a partir da década de 70. Isto foi observado em razão dos avanços tecnológicos e do crescimento da população mundial, o que tem levado a humanidade a novas necessidades de substitutos ósseos ou de biomateriais capazes de exercerem as funções de reparação, funcionalidade e biocompatibilidade aumentando assim, o bem estar do ser humano.
Neste sentido as biocerâmicas nanoestruturadas a base de fosfato de cálcio microporosas, de superfícies ativas e absorvíveis destacam-se dentre as classes de biomateriais devido às características mineralógicas existentes destes biomateriais com a dos tecidos ósseos do esqueleto humano.
Observou-se na bibliografia, existir muitos estudos sobre os processos de dissolução dos biomateriais a base de fosfatos de cálcio e da formação de tecido ósseo. Estas investigações científicas estão relacionadas às diferentes características das composições químicas dos biomateriais, da micro e da nanoestrutura existente, da qualidade de interface tecido/biomaterial relacionado com a taxa de absorção de íons Ca 2+ e P 5+ e da formação de proteínas e na mineralização da estrutura óssea e formação de um novo tecido ósseo.
Constatou-se assim, que os novos processos de síntese e de elaboração de biomateriais nanoestruturados têm contribuído significativamente na produção de pós
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nanoestruturados e de biomateriais, apresentando novas performances microestruturais, nanoestruturais, da microporosidade e superfície de microporos, o que tem contribuído com o comportamento de osseointegração, osseoindução, da regeneração e formação óssea, tanto em estudos in vitro como in vivo.
A evolução tecnológica, ocorrida nas últimas décadas, tem promovido um avanço na qualidade de vida dos seres humanos em fincão das melhores condições técnicas e de equipamentos capazes de realizarem diagnósticos preventivos.
