CIMENTOS E CORPOS CERÂMICOS DE FOSFATOS DE CÁLCIO: INFLUÊNCIA DAS CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS E MICROESTRUTURAIS NO COMPORTAMENTO BIODEGRADÁVEL

(1)

Anais do 50º Congresso Brasileiro de Cerâmica

Proceedings of the 50th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society 22 a 25 de maio 2006 – Blumenau, SC

CIMENTOS E CORPOS CERÂMICOS DE FOSFATOS DE CÁLCIO: INFLUÊNCIA DAS CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS E MICROESTRUTURAIS NO

COMPORTAMENTO BIODEGRADÁVEL

V.V. Silva1,2, L.M.C. Moreira2, J.C.B.S. Amaral2, L.A. Ribeiro2, G.A. Fonseca2, M.R.P. Pereira2

Caixa Postal 941, Belo Horizonte, Minas Gerais, CEP 31123-970, Brasil, e-mail: vvs@cdtn.br

1_{UninCor – Universidade Vale do Rio Verde}

2_{CDTN – Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear}

RESUMO

Cimentos e corpos cerâmicos de fosfatos de cálcio foram preparados para investigar suas propriedades físico-químicas e microestruturais, visando aplicações como matrizes biodegradáveis para liberação controlada de fármacos e moléculas biológicas. Combinação de diferentes técnicas instrumentais (XRD, FTIR, XRF, ICP-AES, análise BET, MEV e picnometria de líquidos) foi utilizada para monitorar a influência de parâmetros como o tipo de precursor, composição química, morfologia e grau de porosidade no comportamento biodegradável em soro fisiológico dos sistemas investigados. Os resultados revelaram que as diferenças observadas podem estar associadas aos valores de tamanho de poros, área superficial, presença de fases solúveis, razão molar Ca/P e porosidade encontrados para os cimentos e corpos cerâmicos avaliados sob as condições testadas.

Palavras-chave: Cerâmicos de fosfatos de cálcio, caracterização físico-química, microestrutura, comportamento biodegradável, sistemas para liberação de fármacos INTRODUÇÃO

Sistemas implantáveis biodegradáveis são capazes de incorporar em suas

estruturas biomoléculas(1-3) e fármacos(4-6) que podem ser liberados no interior do

organismo diretamente, ou próximo ao sítio de tratamento com o propósito de se evitar picos tóxicos de concentração da droga e destruição das células sadias vizinhas àquelas que devem ser tratadas ou eliminadas. Além disso, não exigem posterior cirurgia para a sua remoção após a liberação total da droga por serem completamente reabsorvíveis ao final do tratamento.

(2)

Cerâmicos de fosfatos de cálcio (CFC)(7-9), sob as configurações de corpos

sinterizados e cimentos, encontram um amplo leque de aplicações como sistemas para liberação controlada de drogas. A flexibilidade de síntese e processamento, composição química em cálcio e fósforo, estrutura porosa, biocompatibilidade e estabilidade em meios biológicos são características inerentes desses materiais que vão influenciar, não só no comportamento de superfície mas também governar o

processo de biodegradação em condições fisiológicas(10,11).

O presente trabalho consiste na preparação, caracterização e avaliação do comportamento biodegradável em soro fisiológico de corpos cerâmicos e cimentos à base de fosfatos de cálcio, de diferentes composição e porosidade, direcionados a aplicações futuras como sistemas implantáveis para liberação controlada de fármacos e biomoléculas.

MATERIAIS E MÉTODOS

Preparação dos pós e corpos cerâmicos de hidroxiapatitas

Diferentes pós de hidroxiapatita de cálcio (HA) e hidroxiapatita de cálcio carbonatada (HAC) foram sintetizados conforme rota modificada proposta por Hayck

e Newesely(12). Os pós de HA foram preparados a partir da coprecipitação de

soluções aquosas de Ca(NO3)2 1.0 M e (NH4)2HPO4 0.6 M em meio amoniacal. Os

pós de HCA foram preparados de maneira análoga, utilizando como precursores

soluções aquosas de CaCO3 1.0 M e (NH4)2HPO4 0.6 M. Após calcinação dos pós,

amostras de mesma massa foram separadas para adição de diferentes volumes de água oxigenada - 0, 25, 50, 75 e 100 mL, com o objetivo de gerar corpos cerâmicos de graus de porosidade variáveis. As misturas foram submetidas à agitação constante, e a água oxigenada evaporada para obtenção das amostras pulverizadas.

Amostras dos pós finais foram compactadas axialmente à pressão de 100 MPa e sinterizadas a 900º C ao ar por um período de 1 hora.

Preparação dos cimentos de CFC

Cimentos de CFC foram preparados a partir de misturas físicas entre precursores à base de cálcio e fósforo, com adição ou não de agente de porosidade (sacarose) a diferentes concentrações, conforme dados apresentados na Tabela I.

(3)

Tabela I – Nomenclatura e composição dos cimentos de CFC estudados. Composição do cimento Nomenclatura do cimento (NH4)2HPO4 (g) CaCO3(g) (g) NaOH (mL) Sacarose (g) Sacarose (% p/p) HAC (g) HA (g) CFC-16 - - - - CFC-17 0,125 2,50 - - CFC-18 2,20 2,80 2,50 0,250 5,00 - - CFC-19 0,375 7,50 - - CFC-20 0,500 10,0 - - Fosfato de tricálcio (TCP) (g) Fosfato de dicálcio (DCP) (g) H3PO4 (mL) Sacarose (g) Sacarose (% p/p) HAC (g) HA (g) CFC-21 2,78 1,22 3,0 - - CFC-22 2,08 0,92 4,0 - 2,00 CFC-23 2,08 0,92 4,0 2,00 - CFC-24 2,78 1,22 2,0 1,0 25,0 - - TCP (g) Ca(OH)2 (g) H3PO4 (mL) Sacarose (g) Sacarose (% p/p) HAC (g) HA (g) CFC-29 2,78 0,22 5,0 - - 2,00 - CFC-30 3,70 0,30 3,0 1,00 25,0 - - CFC-31 2,78 0,22 4,0 1,25 25,0 - 2,00 CFC-33 2,93 1,06 4,0 - - - -

Os cimentos obtidos foram acondicionados em formas plásticas cilíndricas (∅ = 17 mm e h = 17 - 22 mm ), colocados em estufa à temperatura média de 37ºC e

umidade superior a 90% durante 7 dias, e posteriormente deixados à temperatura ambiente para secagem de água residual.

Testes de biodegradação

Amostras (300 mg) dos corpos cerâmicos e cimentos investigados foram imersas, separadamente, em 50 mL de solução de soro fisiológico (solução aquosa 0,9% em NaCl) sob agitação constante e à temperatura de (37,0 ± 1,0) °C. Os experimentos foram realizados a diferentes tempos de imersão: 0, 15, 30 e 45 minutos, 1, 3, 6 e 24 horas). Alíquotas de 5 mL foram retiradas ao final de cada tempo para determinação da concentração de cálcio e fósforo (em termos de fosfato), e repostas com soro fresco. Os resultados foram analisados como porcentagem cumulativa de cálcio ou fosfato liberado no meio em função do tempo.

Caracterização das amostras

As composições químicas das amostras dos pós HA e HAC foram determinadas por fluorescência de raios X utilizando um espectroftômetro RIGAKU com tubo de cromo e cristais analisadores de fluoreto de lítio e ditartarato de etileno de amina.

(4)

A técnica de difração de raios-X convencional (difratômetro de policristais de

varredura θ-2θ RIGAKU, com tubo de cobre e radiação Kα e monocromador de

grafite) foi utilizada para identificação de fases cristalinas em amostras dos pós HA e HAC e dos cimentos de CFC.

A identificação de grupos funcionais típicos de compostos de fosfatos de cálcio nas amostras dos pós e cimentos foi avaliada por espectroscopia no infravermelho (espectrofotômetro FTIR MB, da ABB Bomem, modelo MB 102, faixa de 5000-200

cm-1) usando pastilhas de KBr para amostras sólidas

Microscopia eletrônica de varredura (microscópios JEOL, modelos JSM-840 A

e JMC-35C) foi utilizada para caracterização microestrutural de amostras dos corpos cerâmicos de HA e HAC, e dos cimentos de CFC.

Um analisador de área superficial BET Quantachorome NOVA-2000, usando

gás nitrogênio como adsorvato, foi utilizado para medidas de área superficial específica e tamanho médio de poros em amostras dos pós e cimentos.

Medidas de densidade foram determinadas por picnometria de líquido, utilizando etanol anidro.

Espectrometria de emissão atômica por plasma indutivamente acoplado (ICP/AES) foi utilizada para determinação da concentração de cálcio e fósforo liberados na solução fisiológica após imersão das amostras, a partir de um espectrômetro ESPECTROFLAME da Analytical Instruments.

RESULTADOS E DISCUSSÃO Difração de raios X

Os resultados de difração de raios X relativos às amostras dos pós de HA e HAC (Tabela II) indicam a presença de hidroxiapatita de cálcio carbonatada como a fase cristalina predominante, em adição a fases minoritárias solúveis como TCP e DCP, e outros compostos de cálcio (carbonato, óxido e hidróxido) presentes na

composição de algumas amostras. A utilização do CaCO3 como precursor na síntese

das amostras de HAC, o tratamento térmico de calcinação e a presença de CO2 do

meio ambiente durante o processo de preparação das amostras são fatores que podem ter contribuído para a formação desejada dessas fases degradáveis e reabsorvíveis em meios fisiológicos(10,13,14).

(5)

Os resultados de difração de raios-X correspondentes às amostras dos

cimentos CFC indicam a presença de hidroxiapatita de cálcio (Ca5(PO4)3OH) como a

fase predominante na composição das amostras 16, 21, 29 e

CFC-31. A presença de CaO e CaCO3 coexistentes com a hidroxiapatita de cálcio indicam

a predominância de hidroxiapatita carbonatada (Ca5(PO4,CO3)3OH) nas amostras

17, 18, 19, 20, 23 e 30. As amostras 22 e CFC-24 apresentam composições características de hidroxiapatitas deficientes em cálcio (Ca/P < 1,67), tendo em vista a coexistência das fases solúveis DCP e TCP com a fase hidroxiapatita. Os resultados de difração de raios X correspondentes à amostra CFC-33 revelam a presença de DCP como fase cristalina predominante, ao passo que hidroxiapatita de cálcio amorfa foi observada como fase minoritária. Outras fases minoritárias cristalinas e/ou amorfas como β/δ - Ca3(PO4)2, γ-Ca3(PO4)2 e

CaHPO4.2H2O também podem ser observadas para as amostras acima.

Tabela II - Resultados de difração de raios X para amostras dos pós HA e HAC e dos cimentos CFC.

Pó Água oxigenada (mL) Amostra Fases predominantes Fases minoritárias

0 HA-O Ca5(PO4,CO3)3OH[1]

25 HA-25 Ca5(PO4,CO3)3OH[1] Ca3(PO4)2[2]

50 HA-50 Ca5(PO4,CO3)3OH[1] CaH(PO4) [3]

75 HA-75 Ca5(PO4,CO3)3OH[1]

HA

100 HA-100 Ca5(PO4,CO3)3OH[1]

0 HCA-O Ca5(PO4,CO3)3OH[1] CaCO3

25 HCA-25 Ca5(PO4,CO3)3OH[1] Ca3(PO4)2[2]

50 HCA-50 Ca5(PO4,CO3)3OH[1] [CaH(PO4). 2H2O] [4]

75 HCA-75 Ca5(PO4,CO3)3OH[1] CaH(PO4) [3]

HCA

100 HCA-100 Ca5(PO4,CO3)3OH[1] CaO; Ca(OH)2

Cimento

Fases predominantes

Fases minoritárias

CFC-16 Ca5(PO4)3OH[5] amorfa CaH(PO4) [3]; CaCO3

CFC-17 Ca5(PO4)3OH[5] amorfa CaH(PO4) [3]; CaCO3

CFC-18 Ca5(PO4)3OH[5] amorfa; CaCO3 β / δ-Ca3(PO4)2[2]

CFC-19 Ca5(PO4)3OH[5] amorfa; CaCO3

β / δ-Ca3(PO4)2[2]; CaH(PO4)

[3]

β / δ-Ca3(PO4)2[2]; [CaH(PO4)

. 2H2O] [4]

CFC-21 CaH(PO4) [3] ;Ca5(PO4)3OH[5] amorfa Ca3(PO4)2[2]

CFC-22 Ca5(PO4)3OH[5] amorfa; Ca3(PO4)2[2] CaH(PO4) [3]; CaCO3

Ca3(PO4)2[2] amorfa;

CaCO3; [CaH(PO4). 2H2O]

[4]

CFC-24 Ca5(PO4)3OH[5] amorfa; CaH(PO4) [3] Ca3(PO4)2[2]

CFC-29 Ca5(PO4)3OH[5]

CaCO3; Ca3(PO4)2[2];

CaH(PO4)[3] amorfa

CFC-30 Ca5(PO4)3OH[5] amorfa

CaO; β / δ-Ca3(PO4)2[2];

CaH(PO4) [3] ;CaCO3

CFC-31 Ca5(PO4)3OH[5]

CaCO3; β / δ-Ca3(PO4)2[2];

CaH(PO4) [3] amorfa

CFC-33 CaH(PO4) [3]; CaCO3 Ca5(PO4)3OH[5] amorfa

[1] _{Hidroxiapatita carbonatada;}[2]_{Fosfato de tricálcio (TCP);}[3]_{Fosfato de dicálcio (DCPA);}[4]_{Fosfato de dicálcio}

hidratado (DCPD); [5]_{Hidroxiapatita de cálcio;}

(6)

Espectroscopia no infravermelho

Na Tabela III estão sumarizados os resultados de absorção no infravermelho relativos às amostras dos pós de HA e HAC, e dos cimentos CFC estudados.

Bandas típicas de água adsorvidas a 3640 cm-1, de OH a 3580 e 630 cm-1, de PO de

grupos PO4 a 1078-1024, 961, 600, 563, 471 e 345 cm-1 presentes em apatitas são

observadas para todas as amostras de pós. Adicionalmente às bandas acima,

aquelas típicas de grupos CO a 2100-2000, 1454–1414 e 873 cm–1 características

de hidroxiapatita de cálcio carbonatada também estão presentes em todas as amostras dos pós HAC.

Tabela III - Resultados de absorção no infravermelho para amostras dos pós HA e HAC e dos cimentos CFC.

Amostras Bandas de absorção (cm

-1₎ Grupos funcionais Pós de HA e HAC Cimentos CFC 3640 3152-3429 H-O-H, de H2O de cristalização Pós de HA e HAC CFC-19, CFC21, CFC-22, CFC-23, CFC-29, CFC-30, CFC-31 e CFC-33 3580 3650-3500

Estiramento O-H, de grupos OH

CFC-24, CFC-30 e CFC-31 2850-2950 Estiramento axial de ligações C-H

Pos de HAC 2100-2000 Estiramento C-O, de CO2 do meio ambiente

Pós de HAC Cimentos CFC

1454-1414 1460-1400

Estiramento C-O, de grupos CO3 de apatitas

carbonatadas Pós de HA e HAC

Cimentos CFC

1078-1024, 961 1137

Estiramento P-O, de grupos PO4

Pós de HAC 873 Estiramento C-O, de apatitas carbonatadas

Pós de HA e HAC Cimentos CFC

827 Estiramento P-O, de grupos PO4

Pós de HA e HAC CFC-23, CFC-29 e CFC-31

630 680

Deformação O-H, de grupos OH Pós de HA e HAC

Cimentos CFC

600, 563, 471, 345 629-532, 470-340

Deformação P-O de grupos PO4

A presença de bandas de estiramento C-O a 1460-1400 cm-1 características de

hidroxiapatitas carbonatadas, além de bandas de água adsorvida (H-O-H) a 3152 -

3429 cm-1, de estiramento P-O a 1137-827 cm-1 e de deformação P-O de grupo

PO43- a 629-532 cm-1 e a 470-340 cm-1 típicas de outros compostos de fosfato de

cálcio (HA, TCP, DCP) foram encontradas para todas as amostras de cimentos CFC

avaliadas. Adicionalmente, bandas de estiramento O–H (3650-3500 cm-1) de

diferentes intensidades também foram encontradas para as amostras 19, CFC-21, CFC-22, CFC-23 , CFC-29, CFC-30, CFC-31 e CFC-33 indicando a presença de

hidroxiapatita de cálcio. A presença de uma banda de deformação O-H a 680 cm-1

observada para as amostras CFC-23, CFC-29 e CFC-31 confirma o amorfismo consideravelmente menos acentuado da fase HA. Bandas adicionais a 2850-2950

cm-1 também foram observadas para as amostras CFC-24, CFC-30 e CFC-31 com

(7)

elevado teor de sacarose (25% p/p), e provavelmente devem estar associadas à estiramento axial de ligações C-H desta molécula.

Características físico-químicas e morfológicas

As Tabela IV e V apresentam os resultados de composição química, área

específica superficial (Aes),diâmetro médio de poros (Dp), densidade (ρ) e porosidade

(p) para as amostras dos pós e corpos cerâmicos de HA e HAC (Tabela IV) e dos cimentos de CFC (Tabela V).

Valores de razão molar Ca/P próximos ao estequiométrico (Ca/P ≅ 1,67) foram encontrados para todas as amostras em que a hidroxiapatita de cálcio era a fase predominante em suas composições (Tabela II). Composições de amostras contendo a fase hidroxiapatita de cálcio coexistindo com outras mais solúveis (DCP e TCP) apresentaram valores de razão molar Ca/P inferiores a 1,67, enquanto que

presença de CaO e/ou CaCO3 era um indicativo da predominância de hidroxiapatita

carbonatada nas composições das amostras com razões molares Ca/P inferiores ao valor estequiométrico (10,13,14).

Tabela IV - Características físico-químicas e morfológicas dos pós de corpos cerâmicos de HA e HAC.

Amostra Ca* (% p/p) P* (% p/p) Ca/P* (p/p) Ca/P* (m/m) Aes* (m2_/g) Dp * (A) ρ** (g/ cm3₎ p** (%) HA-0 37,1 17,8 2,02 1,57 17,2 123 2,74 13,2 HA-25 37,0 18,8 1,96 1,53 19,8 148 2,72 13,9 HA-50 36,7 17,5 2,10 1,63 15,0 132 2,90 8,22 HA-75 37,4 18,0 2,08 1,61 13,6 74,5 2,91 7,91 HA-100 37,6 17,1 2,19 1,71 16,0 168 2,79 11,7 HAC-0 37,9 15,1 2,51 1,95 22,2 125 2,94 6,96 HAC-25 38,8 16,8 2,31 1,79 15,4 133 2,92 7,59 HAC-50 38,8 17,6 2,20 1,71 16,4 123 2,90 8,22 HAC-75 32,6 13,1 2,50 1,94 17,0 99,5 2,79 11,7 HAC-100 38,9 18,2 2,14 1,66 16,0 168 2,81 11,1

*_{Resultados de análise em amostras dos pós;}**_{Resultados de análise em amostras dos corpos cerâmicos.}

Tabela V - Características físico-químicas e morfológicas dos cimentos de CFC.

Amostra Ca (% p/p) P (% p/p) Ca/P (p/p) Ca/P (m/m) Aes (m2_/g) _(A)Dp ρ (g.cm-3₎ _(%)p CFC-16 40,5 18,5 2,19 1,70 9,07 108 1,85 41,4 CFC-17 23,9 9,20 2,60 2,02 25,1 132 1,79 43,3 CFC-18 36,7 12,5 2,93 2,28 8,53 104 1,61 49,2 CFC-19 19,7 5,90 3,34 2,59 10,5 122 0,945 70,1 CFC-20 22,3 7,40 3,01 2,34 22,7 131 1,30 58,7 CFC-21 30,6 14,0 2,18 1,70 10,6 114 2,23 29,5 CFC-22 35,6 17,7 2,01 1,56 17,2 122 2,45 22,5 CFC-23 28,1 10,9 2,56 2,00 21,6 112 2,00 36,6 CFC-24 33,1 18,3 1,81 1,40 6,73 149 2,08 34,2 CFC-29 40,5 19,5 2,08 1,61 22,1 118 1,97 37,8 CFC-30 28,6 8,7 3,28 2,55 9,34 162 2,16 31,5 CFC-31 39,4 18,1 2,18 1,69 10,5 153 2,40 24,0 CFC-33 38,1 16,8 2,27 1,76 2,52 114 2,24 29,2 7

(8)

Valores de diâmetro de poros correspondentes a mesoporos cilíndricos (20A <

diâmetro < 500A) foram observados para todas as amostras investigadas(15)_{. O tipo}

de agente de porosidade (água oxigenada ou sacarose) ou de precursor utilizados pode não estar influenciando no tamanho dos poros das amostras. Por outro lado, para concentrações de sacarose superiores a 7,5% p/p (Tabela I), independentemente da composição do cimento, o diâmetro de poros passa a ser função da quantidade de sacarose adicionada.

Valores de área superficial específica encontrados para os pós e cimentos

estão próximos àqueles reportados na literatura para hidroxiapatitas de cálcio(10,13,14).

Valores de densidades mais elevadas (porosidades mais baixas) foram encontrados para amostras de corpos cerâmicos (Tabela III) obtidos a partir de pós contendo fases fosfatadas solúveis (TCP, DCP), carbonato e óxido de sódio em suas composições. Isso pode ter favorecido uma maior densificação do material durante o processo de sinterização. Por outro lado, amostras dos cimentos CFC-16, CFC-17, CFC-18, CFC-19 e CFC-20, com mesma composição e concentrações de sacarose abaixo de 25% p/p (Tabela I), exibiram um grau de densificação mais baixo (maior porosidade). Embora a porosidade máxima de 70% tenha sido observada para o cimento CFC-19 (com 7,5% p/p em sacarose), amostras com concentrações mais elevadas de sacarose (CFC-20 com 10% p/p, e CFC-24, CFC-31 e CFC-33 com 25 % p/p) apresentaram graus de porosidade inferiores a 35% p/p (Tabela V). Este comportamento pode ser um indicativo de que exista um valor de concentração crítica de sacarose (7,5% p/p) acima do qual partículas adicionais de sacarose estariam ocupando os poros previamente gerados resultando em um aumento na densidade do cimento (redução de porosidade). Os valores médios de porosidade observados para as amostras CFC-21 (29,5%), CFC-22 (22,5%), CFC-23 (36,5%) e CFC-29 (37,8%) sugerem que a presença de HAC nas composições de CFC-23 e CFC-29 favorece a formação de poros em suas estruturas, o que não ocorre com as amostras CFC-21 e CFC-22.

As microestruturas de alguns corpos cerâmicos de HA e HCA estão apresentadas nas Figura 1a-c. Poros finos (com tamanhos médios inferiores a 50 µm) foram observados para as amostras de corpos cerâmicos obtidos a partir de pós HA conforme exemplificado na Figura 1a para amostra HA-50, ao passo que poros grosseiros superficiais e poros finos (matriz) predominaram nas amostras de corpos

(9)

cerâmicos HCA (Figura 1b correspondente à amostra HCA-0). Poros grosseiros e equiaxiais encontrados na amostra HCA-100 podem ser visualizados na Figura 1c.

(a) (b) (c) (d) (e) Figura 1- Microestruturas das amostras (a) HA-50, (b) HCA-0, (c) HCA-100., (d) CFC-17, (e) CFC-21 .

A morfologia das amostras dos cimentos investigados é caracterizada pela formação de gerações múltiplas de aglomerados (agregados de baixa densidade) de

partículas muito finas(16,17). Quando o tamanho máximo de aglomerado é alcançado,

o processo de densificação é finalmente interrompido e, como conseqüência um grau de porosidade é conferido ao cimento. A distribuição característica de poros para esses cimentos pode ser visualizada a partir das micrografias de algumas amostras apresentadas nas Figuras 1d (CFC-17) e 1e (CFC-21).

Comportamento biodegradável

As curvas de biodegradação para as amostras dos pós e dos cimentos, em termos de liberação de cálcio e de fósforo como função do tempo de imersão no meio, estão apresentadas na Figura 2. Cinéticas de liberação mais rápidas (maiores inclinações das curvas) foram observadas em quase todas as curvas de cimentos para tempos iniciais de até 1 hora em relação às curvas dos corpos cerâmicos HA e HCA, à exceção para as curvas dos cimentos representadas nas Figuras 2c e 2h. Esse comportamento se deve provavelmente, ao grau de porosidade significativamente superior exibido pelas amostras dos cimentos (Tabelas V).

Mecanismos combinados de dissolução e precipitação são observados nas curvas de liberação de cálcio para CFC-17, CFC-17, CFC-19 e CFC-20 (Figura 2c), e de fosfatos para CFC-16 e CFC-19 (Figura 2h). Este comportamento pode estar associado à predominância de fases solúveis (TCP e DCP) que coexistem com a

hidroxiapatita de cálcio e CaCO3 presentes nas composições desses cimentos

(Tabela II). A dissolução parcial de CFC em meio fisiológico resulta na liberação de íons Ca2+, PO43-, HPO42-e CO32-, e na supersaturação do meio com respeito às fases

de cálcio e fósforo. O comportamento biodegradável dos CFC é função não só das condições do meio fisiológico, mas também da composição e tipos de fases

(10)

Proceedings of the 50th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society 22 a 25 de maio 2006 – Blumenau, SC 0 5 10 15 20 25 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30

Massa percentual cumulativ

a de cálcio (%) Tempo (h) HA-0 HA-25 HA-50 HA-75 HA-100 0 5 10 15 20 25 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 Mass a per cent ual cumul a tiv a d e cál ci o ( % ) Tempo (h) HCA-0 HCA-25 HCA-50 HCA-75 HCA-100 0 1 2 3 4 5 6 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 M a ssa per centual c u mulativ a d e cálcio (%) Tempo (h) CFC-16 CFC-17 CFC-18 CFC-19 CFC-20 (a) (b) (c) 0 5 10 15 20 25 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 M a ssa percentual cumulati va de cálci o (% ) Tempo (h) CFC-21 CFC-22 CFC-23 CFC-24 0 5 10 15 20 25 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Massa per ce ntual cum ulativ a de cá lc io (%) Tempo (h) CFC-29 CFC-30 CFC-31 CFC-33 (d) (e) 0 5 10 15 20 25 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 M a ssa perc entual cum u lativ a de fos fatos (%) Tempo (h) HA-0 HA-25 HA-50 HA-75 HA-100 0 5 10 15 20 25 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 M assa p er cent ua l cum ul at iva de f o sf at o s ( % ) Tem po (h) HCA-0 HCA-25 HCA-50 HCA-75 HCA-100 0 1 2 3 4 5 6 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 M a ss a p e rc ent u al c u mul a tiv a de fo sf ato ( % ) Tempo (h) CFC-16 CFC-17 CFC-18 CFC-19 CFC-20 (f) (g) (h) 0 5 10 15 20 25 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 M a ss a per cent u al c um u lat iv a d e f os fat o (% ) Tempo (h) CFC-21 CFC-22 CFC-23 CFC-24 0 5 10 15 20 25 -0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 M a ss a per centual cumul a tiva de fosfato ( % ) Tempo (h) CFC-29 CFC-30 CFC-31 CFC-33 (i) (j)

Figura 2 – Curvas de liberação de cálcio para amostras de (a) corpos cerâmicos HA, (b) corpos cerâmicos HCA, (c) cimentos CFC16, 17, 18, 19 e 20, (d) cimentos 21, 22, 23 e 24, (e) 29, CFC-30, CFC-31 e CFC-33; e de fosfatos para amostras de (f) corpos cerâmicos HA, (g) corpos cerâmicos HCA, (h) cimentos CFC16, CFC-17, CFC-18, CFC-19 e CFC-20, (i) cimentos CFC-21, CFC-22, CFC-23 e CFC-24, (j) CFC-29, CFC-30, CFC-31 e CFC-33.

agregadas, do grau de cristalinidade e das características microestruturais(13,18).

Diagramas de solubilidade para diferentes tipos de CFC revelam que o grau de dissolução é função do tipo e da quantidade de fases diferentes da hidroxiapatita estequiométrica, muito estável em meios fisiológicos, ao passo que CFC com razão

molar Ca/P entre 1 e 2 são passíveis de biodegradação(18).

As curvas de biodegradação relativas às amostras dos corpos cerâmicos e dos demais cimentos sugerem cinéticas de liberação para cálcio e fósforo aproximadas 10

(11)

ao modelo de Higuchi(19) fundamentado na 1ª Lei de difusão de Fick. O processo de

liberação verificado durante a primeira hora dos experimentos (inclinações mais pronunciadas das curvas) pode ser atribuído à dissolução e liberação imediata de cálcio e fósforo presentes nas superfícies das amostras, seguido de taxas de liberação mais lenta ou quase constante (Figura 2e e algumas curvas representadas nas demais figuras) para os tempos subseqüentes. Embora perfis similares de liberação tenham sido observados para essas amostras, variações nas intensidades das cinéticas de liberação e nas inclinações das curvas podem estar associadas a efeitos, ainda não investigados, de preparação, composição, características físicas e microestrutura.

CONCLUSÃO

Síntese, características físico-químicas e microestrutura porosa foram fatores que influenciaram no comportamento biodegradável das diferentes amostras de corpos cerâmicos e cimentos de fosfatos de cálcio investigados nesse estudo.

O modelo de Higuchi, fundamentado na 1ª_{Lei de difusão de Fick, foi sugerido}

para explicar a maioria dos perfis cinéticos de liberação de cálcio e fósforo representados pelas curvas de biodegradação para as amostras investigadas. Entretanto, a ocorrência de mecanismos intercalados de dissolução e de precipitação de diferentes intensidades também foi verificada para algumas amostras de cimentos, embora investigações adicionais ainda sejam necessárias para um entendimento conclusivo dos comportamentos observados.

AGRADECIMENTO

Ao CNPq e a FAPEMIG pelo suporte financeiro. REFERÊNCIAS

1. W. Rhine, D.S. Hsieh, R. Langer, J. Pharm. Sci. 69, 2 (1980) 265.

2. L.R. Brown, C.L. Wei, R. Langer, J. Pharm. Sci. 1983 72, 4 (1983) 1181.

3. L.R. Brown, E.R. Edelman, F. Fischel-Ghodsian, R. Langer, J. Pharm. Sci. 85, 4 (1996) 1341.

4. M.J. During, A. Freese, B.A. Sabel, W.M. Saltzman, A. Deutch, R.H. Roth, R. Langer, Ann. Neuro. 25, 2 (1989) 351.

5. C. Hamanishi, K. Kitamoto, S. Tanaka, J. Biomed. Mater. Res. 33, 1 (1996) 139. 6. V.C.A. Martins, G. Goissis, Artif. Org. 24, 1 (2000) 224.

7. M. Itokazu, W. Yang, T. Aoki, A. Ohara, N. Kato, Biomaterials 19, 3 (1998).

(12)

8. J.E. Barralet, K.J. Lilley, L.M. Grover, J. Mater. Sci. Mater. Med. 15, 2 (2004) 407.

9. J.A. Jansen, J.G.C. Wolke, E.M. Mater. Sci. Forum 426, 8 (2003) 3085. 10. M. Bohner, Injury 31, 1 (2000) S-D37.

11. K.A. Gross, C.C. Berndt, in Reviews in Mineralogy and Geochemistry,

Phosphates: Geochemical, Geobiological and Materials Importance, Vol 48, Ed. M.J. Kohn, J. Rakovan, J.M. Hughes, The Mineralogical Society of America, Washington, 2002. pp. 651-687.

12. E. Hayck, H. Newsely, Inorg Synth. 7, 1 (1963) 63.

13. R.Z. Legeros, in Monographs in Oral Science, Vol. 15, Ed. H.M. Myers, S. Karger, San Francisco, 1991, pp. 4-45.

14. V.V.Silva, Síntese e Caracterização de Compósitos de Zircônia – Hidroxiapatita, Tese (Doutorado em Ciências Exatas), ICEX/UFMG, Belo Horizonte, Brasil (1998), p. 62.

15. J.H. de Boer, The Structure and Properties of Porous Materials, Butterworths, London, England (1958), p.68.

16. G.Y. Onoda, J. Toner, Commun. Amer. Cer. Soc. 1, 1 (1986) C278. 17. S.J.R. Simons, Powd. Tech. 87, 1 (1986) 29.

18. R.Z. LeGeros, Clin. Mat. 14, 1 (1993) 65. 19. T. Higuchi, J. Pharm. Sci. 52, 4 (1963) 1145.

CALCIUM PHOSPHATE CEMENTS AND CERAMICS: PHYSICAL-CHEMICAL, MICROSTRUCTURAL AND BIODEGRADABLE ASPECTS

ABSTRACT

Porous ceramic bodies and cements based on calcium phosphate ceramics (CFC) have been prepared by different methods in order to investigate their physical-chemical and microstructural properties for potential applications as matrices for drug and biomolecules controlled release. Combination of analytical techniques such as X-ray diffraction and fluorescence, infrared spectroscopy, inductively coupled plasma emission spectroscopy, Brunauer-Emmett-Teller method, scanning electron microscopy and picnometry were used for monitoring the effects resulting from the kind of the precursors and pretreatment utilized during the synthesis processes, morphology and porosity degree of the final structures and their biodegradable behavior in physiological serum. The results revealed significant differences for the characteristics and properties related to the ceramic bodies and cements investigated, which are associated to the composition, microstructure and biodegradation under the conditions studied.

Key-words: Calcium phosphate ceramics, physical-chemistry characterization, microstructure, biodegradation behavior, drug delivery system