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

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

DAIARA FLORIANO DA SILVA

SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE BIOMATERIAIS DE FOSFATOS DE CÁLCIO A PARTIR DE CONCHAS CALCÁRIAS FOSSILIZADAS

DAIARA FLORIANO DA SILVA

SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE BIOMATERIAIS DE FOSFATOS DE CÁLCIO A PARTIR DE CONCHAS CALCÁRIAS FOSSILIZADAS

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.

Orientador: Prof. Dr. Nelson Heriberto Almeida Camargo.

FICHA CATALOGRÁFICA

S586s

Silva, Daiara Floriano da.

Síntese e Caracterização de Biomateriais de Fosfatos de Cálcio a Partir de Conchas Calcárias Fossilizadas / Daiara Floriano da Silva; Orientador: Nelson Heriberto Almeida Camargo. – Joinville, 2012. 126 f.: il; 30cm.

Incluem referências.

Dissertação (mestrado) – Universidade do Estado de Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas, Mestrado em Ciências e Engenharia de Materiais, Joinville, 2012.

1. Cerâmica 2. Biomateriais. Camargo, Nelson Heriberto Almeida.

AGRADECIMENTOS

Dedico esse trabalho primeiramente a Deus, pois sem Ele, nada seria possível.

Ao Prof. Dr. Nelson Heriberto Camargo, que como orientador e amigo soube cobrar, mas também não mediu esforços em oferecer todas as condições necessárias à realização deste 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 infra-estrutura oferecida;

À CAPES pela bolsa de estudo concedida;

Aos amigos do Biolab Gisele Dalmônico, Pricyla Correa, Pricila Bornatto, Nelson Levandowski, Rafael Prandi, Lais Passoni, que percorreram essa jornada comigo, sempre dispostos a ajudar e incentivar;

A minha família e em especial aos meus pais Maribel e Diomário, pelo carinho e apoio e por sempre acreditar em mim, a memória de meu irmão Diomário Junior, por todo o incentivo e lições aprendidas;

Ao Tiago Cechinel Borges pela paciência, apoio e incentivo;

‘‘Morre lentamente quem abandona um projeto antes de iniciá-lo, nunca pergunta sobre um assunto que desconhece e nem responde quando lhe perguntam sobre algo que sabe.’’ ‘‘Evitemos a morte em suaves porções, recordando sempre que estar vivo exige um esforço muito maior que o simples ar que respiramos.’’

RESUMO

SILVA, Daiara Floriano da. Síntese e Caracterização de Biomateriais de Fosfatos de Cálcio a Partir de Conchas Calcárias Fossilizadas, 2012. 124 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, 2012.

As pesquisas têm demonstrando nestas últimas décadas, que as biocerâmicas de fosfatos de cálcio e os nanocompósitos com matriz de fosfatos de cálcio, podem ser a nova geração de biomateriais para o uso na reparação de defeitos e na reconstrução de tecido ósseo. Isto pode ser explicado pelas novas características microestruturais, nanoestruturais, da microporosidade interconectada, da área superficial de grãos e de microporos diferenciadas dos biomateriais convencionais. Dentre esta classe de biomateriais cerâmicos, se destacam a hidroxiapatita, e o fosfato de cálcio-β, por apresentarem similaridade cristalográfica com os tecidos ósseos do esqueleto humano. O presente trabalho se concentrou na otimização do método de síntese via úmida para obtenção de pós de fosfato de cálcio, a partir do precursor carbonato de cálcio (CaCO3), proveniente de conchas calcárias fossilizadas e ácido fosfórico.

Elaboração de biomateriais de fosfato de cálcio, com características de microporosidade e microestrutura diferenciadas dos biomateriais convencionais. Os pós recuperados da síntese, foram calcinados a temperatura de 900ºC/2h, fornecendo os pós micro nanoestruturados de fosfato de cálcio-β e hidroxiapatita. Foram elaborados corpos de prova cilíndricos nas dimensões 10mm de altura com 5mm de diâmetro, para as diferentes composições. Estes foram sinterizados a temperatura de 1200°C/2h, fornecendo os biomateriais. Os estudos de caracterização foram realizados em nível morfológico, microestrutural, nanoestrutural, mineralógico, físico, do comportamento térmico, químico, e das propriedades mecânicas. Os resultados obtidos neste estudo colocaram em evidência, as características diferenciadas de microporosidade, microestrutura e nanoestrutura dos biomateriais de fosfato de cálcio, características promissoras para adesão e proliferação celular na superfície de grãos e de microporos. Estes resultados indicam que o método de síntese a partir de um precursor natural se apresentou eficiente na síntese de pós de fosfato de cálcio.

ABSTRACT

SILVA, Daiara Floriano da. Synthesis and Characterization of Biomaterials of Calcium Phosphate in from Calcareous Fossilized Shells, 2012. 124 p. Dissertation (Master Course in Science and Materials Engineering – Area: Ceramics) – Santa Catarina State University, Post Graduation Programme in Science and Materials Engineering, Joinville, 2012.

Research has demonstrated in recent decades, that calcium phosphate bioceramics and nanocomposite with calcium phosphate matrix may be the new generation of biomaterials to use in the repair of defects and reconstruction of bone tissue. This can be explained by new microstructural and nanostructural characteristics, interconnected microporosity, surface area of grains and differentiated micropores from conventional biomaterials. Among this class of ceramic biomaterials, we highlight the hydroxyapatite and calcium β-phosphate, by presenting crystallographic similarity with the bone tissue of the human skeleton. This work focused on optimizing the synthesis method to obtain a wet powder of calcium phosphate, the source calcium carbonate (CaCO3) extracted from calcareous fossilized shells and fossil

phosphoric acid. Preparation of calcium phosphate biomaterials with microporosity and microstructure differentiated characteristics from conventional biomaterials. The powder recovered from the synthesis were calcined at a temperature of 900°C/2h, supplying the post nanostructured micro of calcium β-phosphate and hydroxyapatite. In cylindrical specimens with dimensions 10mm high 5mm in diameter, for different compositions were prepared. These were sintered at a temperature of 1200°C/2h providing biomaterials. The characterization studies were performed on the morphological, microstructural, nanostructural, mineralogical, physical, chemical, thermal behavior and mechanical properties levels. The results of this study have highlighted the different characteristics of microporosity, of the nanostructure and microstructure of calcium phosphate biomaterials, promising characteristics for cell adhesion and proliferation on the surface grain and micropores. These results indicate that the synthetic method from a natural source performed efficiently in the synthesis of calcium phosphate powders.

LISTA DE ABREVIATURAS

DRX – Difração de Raios X

MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura ATD – Análise Térmica Diferencial

TG – Termogravimetria

FT-IR – Infravermelho por Transformada de Fourier

JCPDS – Joint Committee on Powder Diffraction Standards DTP – Distribuição do Tamanho de Partícula

PSD – Particle-size distribution

BET - Brunauer, Emmet e Teller (área superficial) ASTM – American Society for Testing and Materials

ITCP – Intensidade do pico principal do DRX da composição fosfato de cálcio

LISTA DE SÍMBOLOS

α − Alfa β − Beta γ − Gama λ − Lambda θ − Teta

CaCO3 – Carbonato de cálcio

H3PO4 – Ácido fosfórico

Al2O3 – Alumina

SiO2 – Dióxido de silício

CaO – óxido de cálcio

Ca(OH)2 – Hidróxido de cálcio

P2O5 – Ácido fosforoso

NaClO – Hipoclorito de sódio Ca(NO3)2 –Nitrato de cálcio

(NH4)2PO4 – Fosfato de amônia

CaSO4 – Sulfato de cálcio

Ca3(PO4)2 – Trifosfato de cálcio

Ca10(PO4)6(OH)2 – Hidroxiapatita estequiométrica

CaPO3(OH).2H2O – Brushita

Ca3(PO4).H2O – Fosfato de cálcio hidratado

Ca7(P5O16)2 – Fosfato heptacálcico

Ca(PO3)2 – Metafosfato de cálcio

Ca(H2PO4)2 H2O - Fosfato monocálcico mono-hidratado

Ca4H2P6O20 – Di-hidrogênio fosfato tetracálcico

Ca4(PO4)2 – Fosfato tetracálcico

TCP – Trifosfato de cálcio HA – Hidroxiapatita

CHA – Hidroxiapatita coralina

Ca2P2O7-β – Pirofosfato de cálcio – beta

Na – Sódio Mg – Magnésio As – Área superficial

D _{– Diâmetro médio da nanopartículas} Da – Densidade do material

S

A Área superficial das nanopartículas e/ou grãos em m2/g

G

f Fator Gaussiano, utilizado como uma correção normalizada da superfície de área HPO42- – Grupamento hidrogeno fosfato

PO43- – Grupamento fosfato

CO32 – Grupamento carbonato

HCO3- – Grupamento carbonato hidrogenado

OH- – Grupamento hidroxila

CO2 – Grupamento dióxido de carbono

C-H – Ligações entre carbono e hidrogênio C-O – Ligações entre carbono e oxigênio Si-O– Ligações entre silício e oxigênio Ca-C – Ligações entre carbono e cálcio Ca-OH – Ligações entre carbono e hidróxido H2O – Água

ACC – Carbonato de cálcio amorfo Dh/dth – Densidade/densidade teórica P – Pressão

Py – Pressão em y

σ – Tensão de compressão F – Força de compressão S – Área da seção reta do corpo a.C – Antes de Cristo

pH – Potencial hidrogêniônico mL – Mililitro

min – Minutos

rpm – Rotações por minuto m – Micrometro

kg – Kilograma mm – Milímetro cm-1 – Centímetros-1 m2 – Metro quadrado m3 – Metro cúbico g – Grama

T – Temperatura ºC – Graus centígrados K – Kelvin

kV – Kilovolt

SE – Elétrons secundários A – Ampère

Å – Angstron mA – Miliampère

V/mW –Microvolt/miliwatts mg – Miligrama

Ge – Germânio

Par – Peso do corpo de prova ao ar

Pxa – Peso do corpo de prova embebido em xileno

Pxe – Peso do corpo de prova com xileno depois de imerso em água destilada dh – Densidade hidrostática

dth – densidade teórica do material de – Densidade da água

P.A – Porosidade aberta

dx –Densidade do éter de petróleo (0,712 g/cm3) ou do xileno (0,8802 g/cm3) MPa – Megapascal

KN –Kilonewton Ghz – Gigahertz W – Watts

R- Tensão de ruptura

Fc – Carga no momento da fratura de compressão,

A – Área da superfície transversal M – Molar

dTCP Densidade trifosfato de cálcio

ACP – Fosfato de cálcio amorfo OCP – Fosfato octacálcico

DCPD – Mono-hidrogênio fosfato de cálcio diidratado DCP – Mono-hidrogênio fosfato de cálcio

CPPD – Pirofosfato de cálcio diidratado HCP – Fosfato heptacálcico

TDHP – Di-hidrogênio fosfato tetracálcico MCPM – Fosfato monocálcico mono-hidratado CMP – Metafosfato de cálcio

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO ... 17

Objetivos Gerais ... 18

Objetivos Específicos ... 18

1. REVISÃO DA LITERATURA ... 19

1.1 Estrutura Cristalina dos Carbonatos de Cálcio (CaCO3) ... 20

1.2 Características dos Carbonatos Naturais Fossilizados Através da Biomineralização .. 22

1.3. Histórico dos Biomateriais Obtidos a Partir de Precursores Naturais ... 24

1.4 Biocerâmicas de Fosfatos de Cálcio de Origem Natural ... 27

1.5 Síntese de Pós Biocerâmicos a Partir de Matérias Primas Naturais ... 29

2. CARACTERÍSTICAS DE MATERIAIS PRIMAS ... 35

2.1 Características Superficiais de Algumas Espécies de Conchas ... 35

2.2 Características Físicas de Materiais Primas Naturais ... 37

2.3. Método Teórico por Difratometria de Raios X para Determinação de Percentual em Composições ... 40

2.4 Análise de Tamanho de Partícula (DTP) ... 41

2.5 Influência da Área Superficial ... 41

2.6 Características do Comportamento Térmico de Biomateriais Cerâmicos ... 44

2.7 Características Químicas de Matérias Primas Naturais ... 47

2.7.1. Espectrometria de Infravermelho ... 47

2.7.2. Espectrometria Raman-FT ... 54

2.8 Compactação ... 57

2.9 Sinterabilidade de Biomateriais ... 59

2.10 Ensaio de Compressão ... 60

3. MÉTODO EXPERIMENTAL ... 61

3.1 Matérias Primas Utilizadas ... 61

a) Carbonato de Cálcio de Conchas Calcárias Fossilizadas ... 61

b) Água Destilada ... 61

c) Ácido Fosfórico (H3PO4) ... 62

4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ... 62

4.1 Preparação do Carbonato de Cálcio de Conchas Calcárias Fossilizadas ... 62

4.2 Síntese dos Fosfatos de Cálcio ... 62

5. TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO ... 64

5.1 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) ... 64

5.3 Análise Térmica Diferencial e Termogravimetria (ATD e TG) ... 66

5.4 Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FT-IR) ... 66

5.5 Espectroscopia Raman com Transformada de Fourier (RAMAN-IR) ... 66

5.6 Difração a Laser - Análise do Tamanho de Partícula (DTP) ... 67

5.7 Caracterização da Área superficial ... 67

5.8 Densidade Hidrostática e Porosidade Aberta ... 68

5.9 Compactação e Sinterização ... 70

5.10Caracterização Mecânica ... 71

6. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 72

6.1 Caracterização das Conchas Calcárias Fossilizadas ... 72

6.2 Medidas do Valor de pH da Suspensão Coloidal ... 79

6.3 Caracterização Morfológica e Microestrutural ... 80

6.4 Difratometria de Raios X (DRX) ... 84

6.5 Análise Térmica Diferencial e Termogravimetria (ATD e TG) ... 88

6.6 Análise no Infra Vermelho por Transformada de Fourier (FT-IR) ... 90

6.7 Espectroscopia Raman por Transformada de Fourier (RAMAM-IR) ... 97

6.8 Avaliação da Distribuição Granulométrica e Área Superficial ... 98

6.9 Porosidade aberta e Densidade Hidrostática ... 106

6.10Tensões de Ruptura à Compressão ... 108

7. CONCLUSÃO ... 110

8. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 112

INTRODUÇÃO

A procura por parte da sociedade por uma melhor qualidade de vida tem conduzido ao desenvolvimento científico e tecnológico nas diferentes áreas do conhecimento, na busca de satisfazer os interesses sociais e pessoais. As Ciências Exatas e Biológicas vem contribuindo para essa melhoria, através do desenvolvimento de novos biomateriais micro e nanoestruturados podendo estes ser obtidos a partir de precursores sintéticos ou naturais. A produção de pós micro e nanoestruturados de fosfatos de cálcio, são destaque nas pesquisas e despertam interesses em diferentes áreas biomédicas, na odontologia, na traumatologia, na ortopedia e na oncologia.

As pesquisas tem procurado aproximar as características dos biomateriais com as da estrutura óssea. Estudos utilizando matérias primas naturais como corais marinhos e conchas calcárias, são promissores em razão destes materiais possuirem organismos mineralizantes e estruturas microporosas, capazes de contribuirem com a reconstituição e a formação óssea precoce.

Os carbonatos de cálcio provenientes de matéria prima natural, podem ser uma fonte alternativa renovável e economicamente viável na produção de biomateriais de fosfatos de cálcio para aplicações biomédicas.

Este trabalho teve como objetivo sintetizar pós e desenvolver biomateriais de fosfato de cálcio, a partir de conchas calcárias fossilizadas e ácido fosfórico (H3PO4). Foram sintetizadas

diferentes composições de fosfatos de cálcio utilizando as razões seguintes: Ca/P = 1,4; 1,5; 1,6 e 1,67 molar. O método de síntese utilizado foi via úmida, envolvendo fase sólido/líquido, pela reação de dissolução/precipitação de fosfato de cálcio hidratado. Os resultados apresentados neste trabalho estão relacionados ao método de síntese e aos estudos de caracterização dos pós e dos biomateriais.

A primeira parte deste trabalho apresenta uma revisão da literatura sobre matérias primas naturais, classes das biocerâmicas e características destes materiais.

Na segunda se encontram as matérias primas, os processos de sínteses utilizados para obtenção dos pós de fosfato de cálcio e as diferentes técnicas, empregadas para caracterização das composições de pós e biomateriais.

química, e das propriedades mecânicas. Por fim, uma conclusão geral e perspectivas para novos trabalhos.

Objetivos Gerais

Este trabalho teve como objetivo otimizar o método de síntese para obtenção de fosfatos de cálcio via úmida, através da reação sólido/líquido a partir dos precursores de CaCO3 de

conchas calcárias fossilizadas e ácido fosfórico.

Objetivos Específicos

Sintetizar composições de fosfatos de cálcio na razão Ca/P = 1,4; 1,5; 1,6 e 1,67 molar. Conformar amostras para sinterização à temperatura de 1200ºC/2h, para obtenção de biomateriais de fosfato de cálcio.

1. REVISÃO DA LITERATURA

Numerosos estudos vem sendo realizados por diferentes grupos de pesquisa, em busca do aprimoramento do conhecimento sobre as características mineralógicas e químicas de matérias primas naturais a base de cálcio. Os resultados destes estudos têm conduzido a utilização de matérias primas de origens calcárias como os corais marinhos, conchas calcárias fossilizadas, ouriços do mar, cascas de ostras, sulfato de cálcio (gesso), cascas de ovos, ossos corticais bovinos. Todos estes materiais podem ser uma fonte alternativa no desenvolvimento de novos biomateriais de fosfatos de cálcio e isto se deve, a estes materiais serem basicamente constituídos por carbonato de cálcio, um dos precursores utilizados na síntese de pós de fosfatos de cálcio. Outra vantagem está na utilização de bens renováveis pela própria natureza, que podem inclusive representar o uso racional de precursores naturais sustentáveis na elaboração de biomateriais de fosfato de cálcio [TANUR, 2010; ALMEIDA, 2010; MENDES, 2006].

A biomineralização é um dos importantes processos biológicos de transformação pelo qual organismos vivos produzem minerais naturalmente, que no decorrer do tempo adquirem uma organização estrutural com determinada resistência mecânica e composição química variável. Os minerais formados por este processo natural, são basicamente carbonatos e silicatos. O carbonato de cálcio em suas duas formas alotrópicas calcíticos e aragoníticos meta-estáveis, são as estruturas cristalinas mais comuns, encontradas com o processo de biomineralização de conchas calcárias [TANUR, 2010]. Os principais grupos de organismos calcificados são os corais e conchas calcárias. A taxa de calcificação de um recife de coral é assumido como sendo aproximadamente 10kg de CaCO3/m-2/ano [CHAVE, 1975], o que

representa metade da precipitação CaCO3 do mundo, isto tem despertado atenção dos grupos

de pesquisa, sobre a utilização destes materiais em desenvolvimento de biomineralização

[SMITH, 1978].

1.1 Estrutura Cristalina dos Carbonatos de Cálcio (CaCO3)

O carbonato de cálcio é um mineral inorgânico com características alcalinas, resultantes de reações do óxido de cálcio com o dióxido de carbono. São encontrados comumente na natureza, na forma de rochas calcárias que se formam através de processos orgânicos e inorgânicos, em sedimentos de esqueletos orgânicos e inorgânicos de espécies marinhas como certos equinodermos, corais, moluscos e conchas que em função do tempo se mineralizam fornecendo diferentes estruturas cristalinas e polimórficas [TANUR, 2010; SAMPAIO, 2009;

MANN, 2001].

A estrutura cristalina na forma de calcita é a mais comum das matérias primas naturais de origem fóssil. A calcita apresenta o sistema cristalino hexagonal e uma densidade relativa de 2,72g/cm3 [SREC, 2010]. A outra composição também encontrada nos fósseis marinhos é a estrutura cristalina aragonita, apresentando a mesma composição química da calcita, porém seu arranjo cristalino apresenta o sistema ortorrômbico também conhecido por pseudohexagonal. Trata-se de um mineral metaestável, com densidade de 2,95g/cm3. Forma-se a baixas temperaturas e em ambientes de alta pressão [SREC, 2010].

Figura 1.1.1. Representação esquemática da malha hexagonal da estrutura e cristalina da calcita. íons de cálcio; oxigênio e carbono [FURUHASHI, 2009].

1.2 Características dos Carbonatos Naturais Fossilizados Através da Biomineralização

Os carbonatos naturais são materiais encontrados na natureza em corais e crustáceos, que são invertebrados marinhos compostos principalmente de carbonatos de cálcio. A sua degradação próxima a temperatura de 800 ºC, resulta em água, íons carbonatos e dióxido de carbono, são compostos não tóxicos. Estes compostos já são comuns nos organismos vivos, servem para sustentação e preservação da estrutura do esqueleto ósseo. Os carbonatos de origem natural, devido suas características mineralógicas, vem se apresentando como matérias primas favoráveis na elaboração de biomateriais, para uso como uma matriz cerâmica no reparo de defeitos ósseos e da manutenção da estrutura de tecido ósseo em tratamentos preventivos da osteoporose [ALMEIDA, 2010; WANG, 2009; DEMERS, 2001].

Os materiais fossilizados são formados por organismos com esqueletos e/ou conchas depositados como sedimentos em ambientes de planícies fluviais ao fundo do oceano. Os materiais fossilizados são formados basicamente por carbonatos e são os principais responsáveis pelos registros fósseis na terra. A biomineralização se refere aos processos pelos quais os organismos formam minerais [WEINER, 2003].

A fossilização dá-se por transformações químicas e físicas, pelas quais a matéria orgânica é substituída por matéria mineral, como a calcita, aragonita, sílica, pirita, entre outras composições [TANUR, 2010].

Figura 1.2.1. Imagens obtidas da superfície de diferentes conchas calcárias fossilizadas (MEV).

A figura 1.2.2 apresenta algumas micrografias mostrando a morfologia de algumas espécies de corais biomineralizáveis.

A tabela 1.2.1 mostra uma relação das espécies marinhas resultantes da biomineralização com suas características mineralógicas. Observa-se na tabela 1.2.1, sobre o resultado da biomineralização de espécies marinhas, as fases cristalinas da calcita e aragonita.

Tabela 1.2.1. Biomineralização de espécies marinhas[CLARKE, 2011].

Nome Espécie Fases minerais das _estruturas

Plancton Prymnesiophyceae CaCO3

Algas vermelhas Florideophyceae CaCO3/Calcita

Esponjas Demospongia CaCO3 e ou Sílica

Corais Anthozoa CaCO3/Aragonita

Caracóis Gastropoda CaCO3/Aragonita

Moluscos e Mexilhões Bivalvia CaCO3/Aragonita

Lulas Cephalopods CaCO3/Aragonita

Lagostas, Camarões e

Carangueijos Crustacea CaCO3/Aragonita

Estrela do mar Asteroidea CaCO3/Calcita

Ouriço do mar Echinoidea CaCO3/Calcita

Pepino do mar Holothuroidea CaCO3/Calcita

1.3. Histórico dos Biomateriais Obtidos a Partir de Precursores Naturais

A utilização de materiais naturais de sustentação ou implantes em humanos e/ou em animais remonta há muitos séculos; mas somente depois da Segunda Guerra Mundial houve um avanço significativo neste ramo da engenharia dos materiais.

feitas de dentes artificiais esculpidos em ossos bovinos, mostrado na figura 1.3.2. No século XVII um pedaço de crânio de cão foi transplantado com sucesso no crânio danificado de um duque holandês. Os chineses registraram a primeira utilização da amálgama dental para reparar dentes cariados em 659 a.C, enquanto civilizações pré-colombianas usaram folhas de ouro para curar cavidades craniana após trepanação [DOROZHKIN, 2009; LOPEZ 2007; RING, 1995].

Figura 1.3.1. Imagem ilustrando conchas esculpidas em formato de dentes implantadas substituindo três incisivos inferiores, conforme indicado pelas setas[RING, 1995].

O gesso foi um dos materiais utilizado (CaSO4.1/2H2O) como possível substituto ósseo

em 1894. Este biomaterial apresentou uma resistência mecânica muito baixa e foi completamente absorvido pelo organismo, resultando em uma rápida fragmentação e degradação [KAWASHI, 2000].

Em 1932, utilizou-se a alumina (Al2O3) na forma sinterizada como material biocerâmico

para a substituição de partes ósseas [BENS-NISSAN, 2002]. Este material devido a sua excelente biocompatíbilidade, elevada resistência à abrasão e alta resistência mecânica, vem sendo utilizado com freqüência até hoje como ponto de apoio de carga em próteses de quadril e implantes dentais e intra-ósseos para fixação de dentes artificiais [GOUVEIA, 2008; SANTOS, 2002; KAWACHI, 2000].

Os avanços da medicina e da engenharia de materiais, tiveram grande destaque após a segunda guerra mundial, isto devido ao grande números de soldados com deficiências físicas e pela necessidade de recuperação de membros e órgãos, mas constatou-se que muitas falhas de implantes ocorriam devido as deficiências cirúrgicas, infecções ou falta de conhecimento sobre a toxicidade dos materiais selecionados. Atualmente com a evolução científica e tecnológica, surgiram diferentes métodos e técnicas de caracterização e avaliação dos biomateriais tanto em nível de propriedades físicas, químicas, mecânicas e biológicas. A inovação tecnológica conduziu nas últimas décadas uma melhor compreensão do comportamento dos biomateriais em estudos in vitro e in vivo. Esta evolução trouxe a humanidade mais segurança e uma melhor qualidade de vida [DOROZHKIN, 2009].

O uso de corais como substitutos ósseos vem desde a década de 70 quando pesquisadores começaram a desenvolver biomateriais porosos. Nos Estados Unidos pesquisadores realizaram testes in vitro, utilizando biomateriais obtidos de corais marinhos, na forma de particulado, para aplicações no reparo de defeitos e reconstituição do tecido ósseo. [DEMERS, 2001; SIVAKUMAR, 1996]. Os autores observaram em seus resultados, que os biomateriais obtidos de precursores naturais, podem ser uma nova geração de biomateriais de reconstituição óssea. Isto pode ser explicado, por estas matérias primas naturais após limpas e transformadas em forma de pó, apresentarem uma morfologia formada por finas partículas de carbonato de cálcio com área superficial elevada, o que pode favorecer dentro dos processos de síntese a obtenção de pós nanoestruturados de fosfato de cálcio.

polisacarídeos [SILVA, 2010; ALMEIDA, 2010]. Estudos realizados por diferentes autores, que utilizaram composições de biomateriais de origem natural, em testes in vivo, demonstraram em seus resultados que estes podem induzir a uma resposta biológica com uma atividade de osseointegração, osseoindução e da neoformação óssea precoce. Outra constatação feita pelos autores foi que, a camada nácar estimula a liberação de proteínas para o meio fisiológico, o que vem contribuir com o processo de neoformação óssea. Outra observação foi que estes biomateriais se apresentaram com boa biocompatibilidade, demonstrando também biodegradabilidade [SILVA, 2010;ALMEIDA, 2010].

Dentre os biomateriais de origem natural o osso bovino liofilizado desmineralizado tem se destacado como substituto ósseo, principalmente nas últimas décadas. O osso bovino possui disponibilidade quase ilimitada e uma similaridade física e química com o osso humano [ALMEIDA, 2010; MEYER, 2008].

Outras fontes de matérias primas provenientes de ossos liofilizados de animais como de ovelha e cavalo são utilizados para elaboração de biomateriais [SIMION, 2009; ZIELAK, 2007].

No decorrer das últimas décadas vem sendo pesquisado a casca do ovo como fonte alternativa de carbonato de cálcio (CaCO3), para elaboração de biomateriais de reconstituição

óssea [BORON, 2004; NEVES, 1998]. Este material é rico em sais minerais e serve como base para o desenvolvimento de produtos na indústria cosmética, suplementos alimentares, bases biocerâmicas, fertilizantes, implantes ósseos, dentários, e como agente anti-tártaro em cremes dentais [MURAKAMI, 2006].

1.4 Biocerâmicas de Fosfatos de Cálcio de Origem Natural

As biocerâmicas de fosfatos de cálcio pertencem a uma classe de biomateriais que se destaca como matriz de reconstituição óssea, isto está associado às boas características de bioatividade e biocompatibilidade destes biomateriais. Outra característica importante dessa classe de biomateriais é a semelhança química e cristalográfica com as da apatita óssea do esqueleto humano [CAMARGO, 2007; SOARES, 2006; KUMTA, 2005; WEINER, 2003].

de corais, algas, conchas calcárias. Para elaboração das biocerâmicas de fosfato de cálcio, podem ser utilizados diferentes métodos e técnicas de elaboração, constata-se que nem todos os métodos conduzem aos mesmos resultados. As hidroxiapatitas obtidas de matérias primas naturais diferem da HA sintética quanto a morfologia, tamanho dos cristais e propriedades físico-químicas, também podem apresentar comportamento de solubilidade e biológico diferenciados de uma hidroxiapatita sintética[ALMEIDA, 2010; ARENDS, 1987].

Pesquisas sobre a elaboração de composições de fosfato de cálcio, utilizando coral marinho (do gênero Goniopora), através do método hidrotérmico e/ou reativo com o uso de carbonato de cálcio de coral marinho, estes permitem a obtenção da fase hidroxiapatita. As hidroxiapatitas obtidas de corais marinhos são normalmente denominada hidroxiapatita coralina. Acredita-se que esse material possa ser utilizado em aplicações de reconstituição do tecido ósseo em processos cirúrgicos cranianos, maxilo-faciais e cirurgias periodontais e podem apresentar resultados diferenciados em relação aos biomateriais sintéticos [REYNOLDS,

2010;DEMERS, 2001; FURLA, 2000; SIVAKUMAR, 1996].

As hidroxiapatitas obtidas a partir de corais (hidroxiapatita coralina - CHA), normalmente apresentam boas características microestruturais com microporosidade interconectada, condições favoráveis a molhabilidade, a capilaridade, a osseoindução, a osseointegração, o que pode contribuir com a formação óssea precoce. Estes biomateriais vem sendo estudado por diferentes autores e ja são aplicados como substitutos ósseos, em testes in vivo em espécies de animais e seres humanos [LEVANDOWSKI, 2010; DALKYZ, 2000;

GAO, 1996; RIPAMONTI, 1996]. Os resultados obtidos por estes autores, indicam que estes

biomateriais podem ser utilizados como substitutos ósseos. A tabela 1.4.1 apresenta alguns produtos de hidroxiapatita coralina disponíveis comercialmente, que são utilizados como biomateriais de reconstituição óssea para aplicações biomédicas.

Tabela 1.4.1. HA coralinas comercialmente disponível para aplicações biomédicas.

Produtos Descrição Referências

Biocoral* 99% CaCO3 [YUKNA, 1998; KREKLAU, 1999]

Bio Eye* Implantes orbitais produzidos apartir

de corais

___

Pro-Osteon - 200* Blocos com poros de 200µm [JORDAN, 1998; MAWN, 1998]

Pro-Osteon - 500* Blocos com poros de 500µm [ZDEBLICK, 1994]

Interpore - 200* Granulos e blocos com poros de

200µm - osseocondutivos

___

Interpore - 500* Granulos e blocos com poros de

500µm – osseocondutivos e

absorvíveis

1.5 Síntese de Pós Biocerâmicos a Partir de Matérias Primas Naturais

A síntese de pós biocerâmicos a partir de precursores naturais ou sintéticos passa geralmente por três etapas principais: a) preparação da matéria prima; b) elaboração da razão sólido/líquido; c) metodologia utilizada para formação das fases. A síntese de pós biocerâmicos, pode ser realizada por diferentes métodos e técnicas, tais como, precipitação em solução aquosa, reações em estado sólido, métodos hidrotérmicos, processo via-úmida, sol-gel, micro-emulsão, entre outros [OLIVEIRA, 2010; SOUZA, 2009; BELLINI, 2007; CUNHA,

2006; KARVAT, 2004; KAWACHI, 2000].

A síntese de fosfatos de cálcio pelo método via úmida sólido/líquido, através da dissolução/precipitação em solução aquosa, é um método que permite a obtenção de pós biocerâmicos de fosfato de cálcio nanoparticulados, com tamanho de partículas inferiores a 100nm [PASSONI, 2011; SOUZA, 2009; DELIMA, 2008; CAMARGO, 2007]. Este método também oferece como vantagem, a obtenção de pós biocerâmicos nanoestruturados a temperatura ambiente, não gera durante o processo de síntese, nem um tipo de subproduto nocivo ao meio ambiente. As composições mais freqüentes encontradas por este método são: fosfato de cálcio mono-hidrogênio diidratado (DCPD), Fosfato octacálcico (OCP), fosfato dicálcio (DCP) e fosfato de cálcio amorfo (ACP) [PASSONI, 2011; DALMÔNICO, 2011; SOUZA, 2009; DELIMA, 2008; RAYNAUD, 2002].

Observa-se na bibliografia, um número crescente das pesquisas sobre a síntese e o desenvolvimento de pós e biomateriais nanoestruturados de fosfato de cálcio [CAMARGO,

2010; SOUZA, 2009; SANTOS, 2009; DELIMA, 2007]. Este interesse está associado às novas

características que estes biomateriais podem oferecer em nível da área superficial de grãos e de microporos, microporosidade interconectada com tamanho de grãos inferiores a 0,8µm. Outra constatação são as características microestruturais e nanoestruturais diferenciadas se comparadas aos biomateriais convencionais que oferecem novas condições de reconstituição e formação de tecidos ósseos [CAMARGO, 2012; DALMÔNICO, 2011; CAMARGO, 2009].

A tabela 1.5.1 apresenta diferentes técnicas e métodos de síntese para obtenção de composições de fosfatos de cálcio.

Tabela 1.5.1. Técnicas e métodos de síntese de fosfatos de cálcio [ADAPTADO DE DALMÔNICO, 2011].

Técnica

Utilizada Autores Materiais e Métodos

Via úmida VOLKMER, 2006 _{Reação de H}Ácido-base _{3PO4 e Ca(OH)2.} Secagem em estufa

Via úmida DALMÔNICO, 2011 SANTOS, 2009 RIGO, 2007 SOARES, 2006 SILVA, 2007 CAMARGO, 2000

Síntese dos pós nanoestruturados de fosfato de cálcio, através da reação de

dissolução-precipitação de CaO + H2O + H3PO4

Via úmida KOTHAPALLI, 2004 Ca(NO3)2 + (NH4)2PO4 Ca(OH)2 + H3PO4

Síntese T>100°C Hidrotérmica DEMERS, 2001 SIVAKUMAR, 1996 ELLIOT, 1994 HATA, 1983 IOKU, 1988

Síntese hidrotérmica sob alta pressão. Soluções contendo cálcio e fosfatos

A partir de meio aquoso

KIM, 1996; RHEE, 1998 KUKUBO, 2003

Biomimético utilizando concentrações iônicas próximas às do plasma sangüíneo

A partir de meio aquoso WANG, 2009 AFSHAR, 2003 KONG, 2002 AOKI, 1994 LANGSTAFF, 1999 RAYNAUD, 2002

Reação por precipitação, utilizando Ca(NO3)2 e (NH4)2HPO4

Titulação ou Neutralização GOUVEIA, 2008 BETT,1967 AOKI, 1994 PANDA, 2003

Precipitação por titulação, utilizando Ca(OH)2 e H3PO4.

Reações em estado sólido

BROWN, 1999 Ca3(PO_{T = 900 - 1500}4)2 + CaCO3 + Cao_C 3P2O7

Usando vapor de água

Sol-Gel RAJABI, 2008 Ca(NOP23O)25; H,ou H2O ou etanol, 3PO4

Síntese T>200°C

Tabela 1.5.2. Espécies, as técnicas e o procedimento de transformação das fases [CLARKE, 2011].

Nome Espécie Técnica Utilizada Autores Composição

Corais

Goniopora Irradiação de microondas —

800W por 40min de 2.45 GHz MURUGAN, 2004 HA e TCP-β

Porites

Síntese de alta temperatura e pressão de vapor em sistema

fechado/ autoclave 160 – 200°C c/ 1 MPa (8-14h)

JINAWATH,

2002 HA

Goniopora

Adição ácida (5% NaClO); Síntese de alta pressão e

temperatura em sistema fechado/ autoclave 250°C

HU, 2001 HA

Goniopora Pirólise a 900°C (12h) síntese

de alta temperatura e pressão SIVAKUMAR, 1996 HA

Goniopora; Porites

Síntese de alta pressão e temperatura em sistema fechado/ autoclave 270°C

ROY, 1974 Razões monofásicas de Ca/P Goniopora; Porites Replicação utilizando

fundição por cera WHITE, 1972 HA

Lulas

Sepia officinalis

Síntese hidrotérmica com alta temperatura em sistema fechado/ autoclave 80°C -

(32h) - 190°C (1,5h)

KASIOPTAS,

2010 HA

Sepia officinalis

Pirólise a 350°C (3h) síntese de alta temperatura em sistema fechado/ autoclave

200°C (48h)

IVANKOVIC,

2009 HA

Sepia esculenta

Adição acida (4% NaClO); Pirólise a 180°C (16h) síntese

de alta temperatura em sistema fechado/ autoclave

200°C (24h)

KIM, 2008 _HA

Algas vermelhas

Corallina officinalis

Pirólise a 650°C (12h) síntese

hidrotermal a 100°C (24h) WALSH, 2008

Bifásico 95%

HA/5% TCP-β

Rhodophyta

Adição acida (4% NaClO); Síntese hidrotermal em sistema fechado/ autoclave a

200°C (48h)

WALSH, 2008 HA com Mg +

Na

Ouriços do mar

Paracentrotus

lividus Precipitação a 20°C

MARCHEGIANI,

2009 HA Heterocentrotus

mammillatus

Síntese hidrotermal em sistema fechado/ autoclave a

180°C (48h)

VECCHIO, 2007 TCPM-β

Caracóis Pomacea

lineata Precipitação em 7, 14 e 30 _dias DEPAULA, 2010

O método de síntese via precipitação química apresenta certas vantagens, devido a sua simplicidade e por ser um método de baixo custo. Este método também vem sendo empregado na síntese de fosfatos de cálcio. Observa-se na bibliografia que a maioria dos procedimentos sintéticos e naturais apresentam a formação de misturas de fases, que se deve à presença de vacâncias e substituições iônicas na rede, tais como carbonatos, silicatos, hidrogenofosfatos, potássio, sódio, nitratos e cloretos. Os processos de precipitação consistem na adição de grupos fosfatos a suspensões que contenham íons cálcio, podendo partir de diferentes reagentes. A reação de neutralização que utiliza ácido ortofosfórico e hidróxido de cálcio apresenta maior potencial para produção da HA, uma vez que se tem apenas água como subproduto da reação. Os métodos de precipitação apresentam variáveis, tais como pH, temperatura de obtenção, concentração molar dos reagentes, taxa de adição de reagentes, tempo de agitação, tempo de envelhecimento e temperatura de calcinação [ÂNGELO, 2008].

Existem diferentes polítipos de fosfatos de cálcio. Estes podem ser obtidos por diferentes métodos e técnicas de síntese. Os polítipos mais conhecidos e pesquisados atualmente são: o trifosfato cálcio (TCP), com fórmula química Ca3(PO4)2 e a hidroxiapatita

(Ca10(PO4)6(OH)2), um composto inorgânico muito semelhante à estrutura da fase mineral do

osso, dentina e esmalte dentário. Estas composições biocerâmicas tem se destacado em estudos in vivo na reparação e reconstituição do tecido ósseo.

O fosfato dicálcico dihidratado também conhecido por brushita (CaHPO4.2H2O), é uma

outra fase de fosfato de cálcio metaestável que promove a liberação de íons de cálcio e fósforo junto à interface implante/tecido, assim favorecendo a reabsorção, osseoindução e mineralização do tecido ósseo. Em razão destas características este material vem sendo utilizado como revestimento em implantes metálicos por diferentes processos plasma Spray e processo eletrolítico [[[[SOARES, 2007; KUMAR, 1999]]]].

Tabela 1.5.3. Classificação de fosfatos de cálcio[DOROZHKIN, 2010; APARECIDA, 2007; DEGROOT, 1998].

Fosfato de Cálcio _{Fórmula Química} Ca/P

Fosfato Tetracálcico (TTCP) Ca4O(PO4)2 2,0

Hidroxiapatita Ca10(PO4)6(OH)2 1,67

Fosfato de Cálcio Amorfo (ACP) Ca3(PO4)2. n H2O 1,5

Fosfato Tricálcico (α, α’, β, γ) TCP Ca3(PO4)2 1,5

Fosfato Octacálcico (OCP) Ca8H2(PO4)6 . 5H2O 1,33

Mono-hidrogênio Fosfato de Cálcio diidratado

(DCPD) CaHPO4 . 2H2O 1,0

Mono-Hidrogênio Fosfato de Cálcio (DCP) CaHPO4 1,0

Pirofosfato de Cálcio (CPP) Ca2P2O7 1,0

Pirofosfato de Cálcio diidratado (CPPD) Ca2P2O7 . 2H2O 1,0

Fosfato Heptacálcico (HCP) Ca7 (P5O16)2 0,7

Di-Hidrogênio Fosfato Tetracálcico (TDHP) Ca4H2P6O20 0,67

Fosfato Monocálcico Mono-Hidratado (MCPM) Ca(H2PO4)2 .H 2O 0,5

Metafosfato de Cálcio (α, β, γ) (CMP) Ca(PO3)2 0,5

Tabela 1.5.4 – Razões molares e fases observadas de fosfatos de cálcio obtidos a partir de casca de ovo[LEE, 2003].

Proporção da

mistura (% em peso) Composição Ca/P

1: 1,0 HA + CaO 1,89

1: 1,1 HA + CaO 1,77

1: 1,2 HA 1,65

1: 1,3 TCP-β 1,57

1: 1,4 TCP-β 1,49

1: 1,5 TCP-β 1,41

1: 1,6 TCP-β + fase desconhecida 1,33 1: 1,7 TCP-β + fase desconhecida 1,24

Os substitutos ósseos são de uma maneira geral constituídos de HA e TCP; portanto a razão Ca/P molar fica compreendida entre 1,5 e 1,667. A Figura 1.5.1 apresenta o diagrama de fase obtido a partir da mistura de concentrações CaO/P2O5, em presença de água (H2O),

por meio das reações de precipitação/dissolução, para formação de fosfatos de cálcio, em função do processo de síntese e da temperatura. Constata-se no diagrama, que algumas fases se obtêm com a elevação da temperatura, conforme pode ser observado no diagrama para o caso do trifosfato de cálcio β e α. Observa-se também no digrama, que a razão Ca/P molar, tem uma influência direta sobre a formação destas fases.

Outra constatação está na temperatura de tratamento dos pós que pode influenciar significativamente a formação das fases de fosfatos de cálcio e de suas características microestruturais, caso já observado por outros autores [DALMÔNICO, 2011; GOUVEIA, 2008;

SOARES, 2007; BIGNON, 2002; RAYNAUD, 2002; BROWN, 1999].

Figura 1.5.1. Diagrama de fase relacionando a concentração CaO-P2O5 para formação

de fosfatos de cálcio Ca/P molar[ Adaptado de BIGNON, 2002].

2. CARACTERÍSTICAS DE MATÉRIAS PRIMAS

As propriedades e as características morfológicas, físicas, química, térmicas, mecânicas, microestrutural e nanoestrutural sempre devem ser levadas em consideração em processos de elaboração de biocerâmicas, visto que as matérias primas podem influenciar diretamente No processo de elaboração e as propriedades do biomaterial final.

2.1 Características Superficiais de Algumas Espécies de Conchas

As caracterizações morfológicas e microestruturais auxiliam nas investigações dos biomateriais para aplicações biomédicas. A morfologia das partículas, a microestrutura e as propriedades mecânicas de um biomaterial, estão diretamente associadas à metodologia e a tecnologia aplicada para o desenvolvimento do biomaterial.

Silva [2010] realizou a caracterização de conchas calcárias, através da microscopia eletrônica de varredura, com objetivo de utilizá-las como matéria prima na elaboração de biomateriais, na figura 2.1.1A, observa-se incrustações de outra espécie sobre a superfície da

1570ºC

1550ºC

1360ºC

1180ºC

concha. A figura 2.4.1B, mostra na superfície da concha a presença de micro-trincas, caso típico dos materiais fossilizados depois de secos. As figuras 2.1.1C e 2.1.1D, mostram as superfícies de fratura no corpo das conchas, exibindo camadas internas em forma de lamelas, que compõem a estrutura cristalina das conchas, basicamente na forma de carbonato de cálcio (CaCO3). Estas estruturas em camadas são resultados da biomineralização realizada por

proteínas.

As figuras 3.1.1E e 3.1.1F, mostram a

A superfície externa da concha apresenta uma microporosidade com tamanho variável em toda a sua extensão. A figura 2.1.1F mostra em detalhes a superfície da concha formada

Figura 2.1.1A. Micrografia de conchas de ostras, incrustação de outra espécie

de concha, (MEV) [SILVA, 2010].

Figura 2.1.1B. Micrografiade conchas de ostras, camada externa, (MEV)

[SILVA, 2010].

Figura 2.1.1C. Micrografiade conchas de ostras, superfície de lamelas, (MEV)

[SILVA, 2010].

Figura 2.11D. Micrografiade conchas de ostras, superfície de fratura, (MEV)

por lamelas sobrepostas que formam o corpo da concha constituída por agregados de placas de aragonita, depositadas em lâminas ou colunas.

2.2 Características Físicas de Matérias Primas Naturais

Estudos realizados por diferentes autores sobre a caracterização física de matérias primas naturais e sintéticas, utilizaram a técnica de difratometria de raios X. Esta técnica permite a identificação das fases cristalinas, e a composição química estrutural do biomaterial.

Estudos utilizando a técnica de difratometria de raios X, para caracterizar conchas calcárias da espécie Dianthus hydroides serpulid, mostra nos difratogramas para este tipo de matéria prima a presença de dois polimorfos de carbonato de cálcio, observando uma concentração de 40% da fase aragonita e 60% da fase calcita, conforme pode ser observado na figura 2.2.1, constatando-se que o pico principal é representado pela fase calcita [TANUR, 2010].

Figura 2.1.1E. Micrografia de conchas de mexilhões , camadas externa,

(MEV) [SILVA, 2010].

Figura 2.1.1F. Micrografia de conchas de mexilhões, camadas constituídas

Fig. 2.2.1. Difratograma de raios X obtido sobre as conchas calcárias (Dianthus

hydroides serpulid) com picos referentes (C) calcita e (A) aragonita[TANUR, 2010].

A porcentagem das fases de aragonita e/ou calcita podem variar em matérias primas a partir de conchas de moluscos, pois depende do tipo de molusco e da região onde se desenvolveu. Estudos já realizados por diferentes autores sobre a caracterização cristalográfica de conchas de moluscos mostraram que nem sempre é possível determinar com certeza as diferentes proporções cristalinas das conchas, em razão das texturas diferentes e pela misturas muitas vezes, de outras impurezas orgânicas e amorfas que podem estar presentes [SILVA, 2010].

2.3 Características Físicas de Fosfatos de Cálcio Sintéticos

fosfatos de cálcio de razão Ca/P= 1,50 - 1,667 molar. O autor constatou em seus resultados para a composição na razão Ca/P 1,50 molar, a presença de duas fases, uma representada pela fase HA e a outra, a fase monetita (CaHPO4) (JCPDS 9-80). Já para composição na razão

Ca/P = 1,71 molar, constatou-se a presença da fase hidroxiapatita.

Figura 2.3.1. Difratograma de Raio X sobre pós de sínteses (*) HA e ( ) Monetita [RAYNALD, 2002].

O autor realizou posteriormente estudos de caracterização por difratometria de Raios X, sobre o pós calcinados a temperatura 700oC, onde constatou em seus resultados, (Figura 2.3.2), a presença da fase Ca2P2O7, que pode estar relacionado com a transformação da fase

monetita (CaHPO4) em pirofosfato (Ca2P2O7). O autor constatou ainda que os picos de maior

intensidade de Ca2P2O7 podemse sobrepor com os picos da fase TCP-β conforme mostrado na

Figura 2.3.2. Difratogramas de Raio X sobre pós de fosfatos de cálcio calcinados 700 o_C

(*)HA; ( ) TCP-ββββ; ( ) TCP-αααα; ( ) CaO e ( ) Ca2P2O7 [RAYNALD, 2002].

2.3 Método Teórico por Difratometria de Raios X para Determinação de Percentual em Composições

O método teórico de análise quantitativa de composições desenvolvida pelos autores

[BEHNAMGHADER, 2008; YUN-MOSUNG, 2004], vem sendo uma prática usual na análise das

A equação 01 apresenta a relação entre as fases HA e TCP-β.

Onde:

TCP = porcentagem da fase trifosfato de cálcio-β na composição bifásica HA/TCP-β; ITCP= intensidade do pico principal do DRX da composição trifosfato de cálcio-β;

IHA = intensidade do pico principal do DRX da composição hidroxiapatita.

2.4 Análise de Tamanho de Partícula (DTP)

A determinação da distribuição do tamanho de partículas (DTP) ou análise granulométrica (particle-size distribution –PSD) é um método usual em processos cerâmicos. Este método também vem sendo bastante utilizado em desenvolvimentos de pós nanoestruturados para aplicações biomédicas [PASSONI, 2011]. A importância das análises consiste em avaliar a distribuição do tamanho das partículas dos pós nanoestruturados. Sabe-se que o tamanho das partículas e/ou de grãos, exercem uma influência direta, tanto sobre a sinterabilidade dos biomateriais, como nos processos de neoformação óssea [CAMARGO,

2010]. Os estudos de análise granulométrica de pós biocerâmicos nanoestruturados, podem

contribuir para compreensão da sinterabilidade, interface de grãos e microporos e sobre a metodologia de elaboração de biomateriais. Estes resultados podem contribuir para o desenvolvimento de biomateriais com características específicas ou diferenciadas dos biomateriais convencionais.

2.5 Influência da Área Superficial

A área superficial específica é definida como sendo a área superficial por unidade de massa ou volume de um material. Esta superfície é normalmente determinada pela absorção física de um gás ou pela absorção química de um corante como o azul de metileno [REED,

2000]. Os valores da área superficial de partículas, grãos e de microporos, podem influenciar

diretamente na sinterabilidade de biomateriais, na adesão celular na superfície de partículas, grãos e microporos [SILVA, 2007].

O método mais utilizado para determinação da área superficial dos pós cerâmicos, metálicos ou poliméricos é o método BET, esse método leva esse nome, em razão da homenagem aos seus idealizadores, Brunauer, Emmet e Teller. O método consiste na absorção física de um gás a baixa temperatura, sendo que, a amostra deve passar por um processo de secagem, para então realizar-se o ensaio. Este ensaio é realizado pelo fluxo de um gás inerte que passa rapidamente através da amostra, em geral o gás utilizado para esse ensaio é o N2 no

ponto de ebulição (77,4K) [BRUNAUER, 1938].

Alternativamente pode-se calcular o valor da área superfícial de partículas através do método teórico desenvolvido por [SILVA, 2007], este método permite determinar a área superficial de partículas ou de grãos, conhecendo-se o diâmetro médio das partículas e/ou dos grãos, seu desvio padrão e o valor da densidade do biomaterial. A área superficial pode ser calculada com ajuda da equação 02 [SILVA, 2007].

A área superficial de grãos e/ou de partículas é uma grandeza, que pode apresentar um diferencial sobre os processos de formação óssea, em razão de melhorar a adesão celular na superfície das partículas e/ou de grãos [CAMARGO, 2009; SILVA, 2007].

a G S f nm D cm g D g m

A = ×

) ( ) / ( 6000 ) /

( 2 ₃

Onde: ) (nm

D é o diâmetro médio da nanopartículas utilizado em nm;

) /

( 3

cm g

Da é a densidade do material que utiliza-se em g/cm3;

S

A Área superficial das nanopartículas e/ou grãos em m2/g;

G

f É o fator Gaussiano, utilizado como correção normalizada da superfície de área; Para os fosfatos de cálcio utiliza-se:

G

f = 0, 936243 para composições de fosfatos de cálcio.

Estudos realizados por diferentes autores que caracterizaram a área superficial de biomateriais de fosfatos de cálcio, constatam a partir dos resultados obtidos, uma variação dos valores da área superficial entre os biomateriais. A tabela 2.5.1 mostra os dados obtidos da

análise de área de superfial específica e granulometria de treze diferentes biomateriais disponíveis comercialmente no Brasil [CONZ, 2010; FIGUEIREDO, 2010; KASTEN, 2008; STRNADOVÁ, 2005].

Tabela 2.5.1. Área superficial obtida por BET e granulometria de 13 biomateriais disponíveis comercialmente [CONZa, 2010; FIGUEIREDOb, 2010; KASTENc, 2008; STRNADOVÁd,

2005].

Biomaterial

Área Superficial

(m2/g)

Granulometria

Fabricante (µm) Granulometria real (µm)

Osso desmineralizado humano

(DFDBA Pacific Coast) 0,18

a _{250 – 710 125 – 600}

Hidroxiapatita Bovina

(BioOss₎ 59,7

b _{250 – 1.000 250 - 600}

Hidroxiapatita Bovina (GenOx

inorgânico cortical) 77,3 250 – 1.000 125 – 600

Hidroxiapatita Bovina (GenOx

inorgânico medular) 3,18 250 – 1.000 150 - 600

Osso bovino orgânico/inorg.

(GenOx _Composto) 2,45 250 – 1.000 125 - 1.000

Matriz óssea orgânica bovina

(GenOx_Orgânico) 0,89 250 – 1.000 125 – 1.000

Alobone Poros

(hidroxiapatita sintética) 76 250 – 1.000 250 – 1.000

GenPhos absorvível

(70%HAp/30%TCP) 49,63 250 – 1.000 75 – 125

GenPhos não absorvível

(70%HAp/30%TCP) 0,76 500 – 1.000 250 – 600

Pro HA não absorvível

(hidroxiapatita sintética) 4,38 250 – 450 75 – 600

Osteogen

(hidroxiapatita sintética) 40,53 300 – 400 75 – 420

Cerasorb

(TCP- β sintético absorvível)

0,12c

0,17d 1000-2000 não mensurado

Biocoral

(carbonato de cálcio de coral) 0,26

b _{640-1000 765-1010}

Ca/P molar e a temperatura de tratamento térmico a 1000ºC, o que pode ter influenciado a cinética superficial de cristalização e coalescência das partículas de fosfato de cálcio, assim modificando a área superficial da partículas para as diferentes composições de pós.

Tabela 2.5.2. Resultados da área de superficial de pós de fosfato de cálcio com razão Ca/P molar [RAYNAUD, 2002].

Razão Ca/P Área Superficial _(m2_/g) Composição obtida _{a 1000ºC}

< 1,50 88±2 90% TCP-β +

10% Ca2P2O7−β

1,511±0,001 60±1 93% TCP-β +

7% HA

1,535±0,004 47±0,5 78% TCP-β +

22% HA

1,631±0,004 68±1,5 80% ΗΑ +

20% TCP-β

1,643±0,003 62±1,5 87% ΗΑ +

13% TCP-β

1,655±0,002 62±1,5 93,5% ΗΑ +

6,5% TCP-β

1,663±0,001 59±1,5 98% ΗΑ +

2% TCP-β

1,667±0,005 58±1,5 >99,5% HA

1,71±0,01 55±1 98,5% HA + _{1,5% CaO}

2.6 Características do Comportamento Térmico de Biomateriais Cerâmicos

As técnicas de caracterização do comportamento térmico de materiais mais usuais são análise térmica diferencial (ATD) e termogravimetria (TG), estas técnicas são utilizadas, para avaliação representativa dos picos endotérmicos de adsorção de energia e exotérmico de liberação de energia representada pelas transformações de fase, ou fusão dos biomateriais (ATD), já para o caso da (TG), fornece a curva de perda de massa em função da temperatura e do tempo [FELISBERTI, 2010].

várias atmosferas; adsorção e desadsorção; decomposição térmica de materiais; degradação térmica oxidativa; evaporação de líquidos; estudo da cinética das reações; estudo da desidratação; sublimação, dentre outras [RODRIGUES, 2004].

Estas técnicas permitem verificar em suas curvas as transições de primeira ordem normalmente representadas por picos endotérmicos. Já os picos exotérmicos são representativos das transformações de fase e/ou oxidação dos materiais. A figura 2.6.1 apresenta uma curva representativa teórica de análise térmica diferencial (ATD), mostrando os picos endotérmicos e exotérmicos ocorridos durante o ciclo termodinâmico em função do tempo e da temperatura.

Figura 2.6.1. Curva esquemática de Análise Térmica Diferencial[RODRIGUES, 2004].

A tabela 2.6.1 apresenta um estudo teórico desenvolvido por Rodrigues [2004] sobre o comportamento térmico de materiais, o autor faz uma descrição relacionando os picos endotérmicos e exotérmicos relacionando as características físicas e químicas.

Transição Vítrea

Cristalização

Fusão

Oxidação ou Decomposição

Transição Vítrea

Cristalização

Fusão

Tabela 2.6.1. Transições relacionadas aos processos químicos e físicos durante aquecimento[RODRIGUES, 2004]

Físico

Processo Transição

Endotérmico Exotérmico

Adsorção Absorção Cristalização

Dessorsão Fusão Sublimação Transição cristalina Transição líquido-cristalina Transição de ponto de Curie

Transição de capacidade calorífica Alteração de linha de base Transição vítrea Alteração de linha de base

Vaporização

Químico

Combustão Decomposição Degradação oxidativa

Desidratação

Oxidação em atmosfera gasosa Polimerização

Pré-cura Reação catalítica Reação de estado sólido

Reação redox

Redução em atmosfera gasosa Sorção química

O Trabalho de pesquisa realizado por Fernandes [2007], sobre a caracterização do fosfato de cálcio (monetita, Ca/P= 1,0molar), através do sistema de termogravimetria, o autor constatou em seu resultado representado pela figura 2.6.2, na curva (A) aproximadamente a temperatura de 300 a 350K, a liberação de água absorvida na superfície das partículas, já entre as temperaturas 680 a 750K, observa-se a transformação da fase monetita em pirofosfato de cálcio-γ (Ca2P2O7-γ), caso semelhante pode também ocorrer, para o fosfato de cálcio brushita

[TEMIZEL, 2011], através da condensação do grupo HPO42-, conforme representado pela

equação química 03.

O pico em aproximadamente entre 1030 a 1100K, demonstra a transformação da fase Ca2P2O7−γ para a fase Ca2P2O7−β.

A curva (B) mostra um pico em aproximadamente 330K, indicando a liberação de água da superfície das partículas, caso já observado na curva (A), depois se observa uma queda da curva de aproximadamente 600K até 800K, demonstrando a maior perda de massa, representado pela transformação de fase da monetita para Ca2P2O7−γ, caso já observado

também na curva (A), constata-se ainda uma leve retração da curva (B) em aproximadamente 1090 K, correspondendo a formação da fase Ca2P2O7−β.

Figura 2.6.2. Curvas do comportamento térmico obtidas sobre pó de fosfato de cálcio com razão Ca/P 1,0molar (monetita)[FERNANDES, 2007].

2.7 Características Químicas de Matérias Primas Naturais

2.7.1. Espectrometria de Infravermelho

A caracterização por espectroscopia de infravermelho por transformada de fourier (FT-IR) é uma técnica rápida e simples de análise química baseada na interação da luz infravermelha com a matéria [FEDDES, 2009]. É um método que vem sendo utilizado com freqüência na caracterização de matérias primas de carbonatos de cálcio e de biocerâmicas de

fosfatos de cálcio. A técnica se baseia nas bandas vibracionais de grupamento químicos, estas possuem freqüências de vibração específicas, as quais correspondem a níveis de energia da molécula (chamados nesse caso de níveis vibracionais). A espectroscopia de infravermelho permite identificar algumas substituições ou alterações importantes na presença de grupos funcionais próprios dos fosfatos de cálcio, particularmente os grupamentos PO43-,

H2O e OH-. Essas informações são obtidas pela excitação dos modos de energia vibracionais

destes grupos moleculares dentro da estrutura dos sólidos [SILVERSTEIN, 2006; ELLIOT, 1994]. Estudos realizados por Silva [2010], que utilizou a técnica de infravermelho para caracterização de carbonatos de cálcio naturais, de conchas de ostras (A), conchas de mexilhões (B) e carbonato e cálcio sintético (C). O autor observou no espectrograma (A) obtido sobre pó de conchas de ostras (figura 2.7.1), referente à fração calcita, que apresenta o grupamento CO32-em 712cm-1 e 873cm-1. O grupamento de ligação C-O pode ser observado

na banda vibracional em 1420cm-1. Já para o pó obtido das conchas de mexilhões, o autor observou no espectrograma (B) (figura 2.7.1) as bandas vibracionais representativas fração aragonita, em 1078cm-1 e 1464cm-1 indicando o grupamento C-O; em 856cm-1 e 704cm-1 as bandas vibracionais representativas do grupamento CO32-. O autor realizou um estudo

comparativo com um carbonato de cálcio sintético, os resultados deste estudo mostrados no espectrograma (C) (Figura 7.2.1), onde se observa as bandas de vibração em 856cm-1, 708cm

-1_{, 1080cm}-1 _{e 1492cm}-1_{, similares às bandas encontradas para os pós de conchas de ostras e de}

mexilhões.

As principais diferenças entre as amostras analisadas estão nas bandas vibracionais que caracterizam calcita e aragonita. As conchas de ostras apresentaram bandas correspondentes ao CaCO3, na forma de calcita e as conchas de mexilhões, bandas correspondentes ao CaCO3

na forma de aragonita. A banda vibracional próxima a 2520cm-1 que aparece nos três espectrogramas indicam a presença do grupamento HCO3

–

Figura 2.7.1. Espectrograma de FT-IR na faixa de 4000 a 400cm-1, em amostras de: A) conchas de ostras; B) conchas de mexilhões; C) padrão de CaCO3[SILVA, 2010].

Estudos realizados por diferentes autores [FERNANDES, 2007, ANMIN, 2007; CORAMI,

2007, BORUM, 2003; XU, 1999], que utilizaram a técnica de espectrometria de infravermelho

para caracterização de diferentes composições de fosfatos de cálcio Ca/P de 0,5; 1,0; 1,3 e 1,5 molar , estes autores mostraram em seus resultados (Figura 2.7.2) as bandas vibracionais representativas dos principais grupamentos, constatando em 3700cm-1, 3570cm-1 e 2600cm-1 as bandas vibracionais associadas ao grupamento OH- e/ou da molécula de H2O, observa-se

outra banda vibracional em aproximadamente 1637cm-1, mais uma vez, indicando grupamento OH- e/ou da molécula de H2O. Os autores constataram também a banda

vibracional em 2916cm-1 indicando ser a banda vibracional do grupamento HPO42-.

Observaram as bandas vibracionais entre as regiões de 1500-1400cm-1e em 875cm-1, as quais foram atribuídas como sendo as bandas de ligação C-O, dos grupamentos CO32-, incorporados

à rede cristalina de fosfatos.

Outras bandas foram observadas em 1090cm-1_{, 1030cm}-1 _{e 963cm}-1

, as quais foram

associadas as bandas vibracionais do grupamento PO43-. Os autores consideraram a banda

bandas em 566cm-1 e 478cm-1 foram atribuídas ao grupamento HPO42-. Os autores

constataram nos espectrogramas (Figura 2.7.2) que a medida em que se aumentou a razão Ca/P molar às bandas vibracionais dos fosfatos de cálcio se apresentaram mais intensas nos espectrogramas.

Figura 2.7.2. Espectrograma de FT-IR obtidos sobre pós de fosfatos de cálcio nas razões Ca/P = 0,5 M(a); 1,0M (b); 1,3M (c) e 1,5M (d)[FERNANDES, 2007].

A figura 2.7.3 apresenta o resultado do estudo realizado por [RIBEIRO, 2009], que avaliou por espectrometria de infravermelho o pó de trifosfato de cálcio obtido do tratamento térmico a temperatura de 1000ºC. O autor observou em seu resultado obtido pela técnica de espectrometria de infravermelho, bandas vibracionais largas, o que o autor classificou como baixa cristalinidade do material. O autor constatou também as bandas vibracionais em 1629cm-1 e na região entre 3200 - 3600cm-1, o qual considerou estas bandas vibracionais, associadasa molécula de água absorvida na superfície das partículas, caso já observado por outros autores [DALMÔNICO, 2011; BUI, 2011; SILVA, 2010; LARANJEIRA, 2010]. O autor classifica as bandas vibracionais em 560cm-1_{, 611cm}-1 _{, 1044cm}-1 _{e 2925cm}-1 _{como sendo}

representativos dos grupamentos PO43-. A banda vibracional em 727cm-1 o autor classificou

Número de onda (cm-1)

Figura 2.7.3. Espectrograma de FT-IR de pó de trifosfato de cálcio tratado a 1000ºC [RIBEIRO, 2009].

Raynaud, em [2002], sintetizou fosfatos de cálcio via úmida, o autor realizou a caracterização de diferentes composições de fosfato de cálcio, com ajuda da técnica de espectrometria de infravermelho. O autor observou em seus espectrogramas (Figura 2.7.4) as bandas vibracionais características de grupamentos PO43- em 460cm-1, 550-600cm-1 e

1020-1120cm-1. Constatou também as bandas vibracionais em 630cm-1 e 3540cm-1 associadas ao grupamento OH-. O autor constatou também a banda vibracional em 1650cm-1 a qual foi considerada como sendo representativa da vibração do grupamento de carbonatos CO32-. Já a

Número de onda (cm-1)

Figura 2.7.4. Espectrogramas de FT-IR obtidos sobre os pós de fosfatos de cálcio [RAYNALD, 2002].

Bui em [2011], realizou um estudo sobre deposição de hidroxiapatita na superfície de um biovidro 46S6, este foi submerso em fluido fisiológico SBF entre 3 a 30 dias. O autor utilizou a técnica de espectrometria de infravermelho para caracterização do biovidro e também após imerso em fluido fisiológico SBF. O autor observou em seus espectrogramas, conforme ilustrados pela figura 2.7.5, as bandas vibracionais em, 565cm-1, 603cm-1 e 1039 cm-1, que o autor considerou como bandas associadas aos grupamentos PO43-, devido a

formação de uma camada de fosfato de cálcio sobre a superfície do biovidro entre 15 e 30 dias de imersão no fluido fisiológico SBF . O autor constatou também as bandas vibracionais em 874cm-1 e 1420cm-1, associadas as bandas vibracionais características de CO32-. Observou