Estabilização estrutural de apatitas de cálcio e/ou estrôncio via co-substituições iônicas

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE PRÓ-REITORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS (P2CEM). DISSERTAÇÃO DE MESTRADO. ESTABILIZAÇÃO ESTRUTURAL DE APATITAS DE CÁLCIO E/OU ESTRÔNCIO VIA CO-SUBSTITUIÇÕES IÔNICAS. LEILA MELO DA SILVA. SÃO CRISTÓVÃO/SE 2014.

(2) LEILA MELO DA SILVA. ESTABILIZAÇÃO ESTRUTURAL DE APATITAS DE CÁLCIO E/OU ESTRÔNCIO VIA CO-SUBSTITUIÇÕES IÔNICAS. Orientador: Prof. Dr. Euler Araujo dos Santos. SÃO CRISTÓVÃO/SE- BRASIL ABRIL DE 2014.

(3) FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA CENTRAL UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE. S586e. Silva, Leila Melo da Estabilização estrutural de apatitas de cálcio e/ou estrôncio via co-substituições iônicas / Leila Melo da Silva ; orientador Euler Araujo dos Santos. – São Cristóvão, 2014. 106 f. : il.. Dissertação (Mestrado em Engenharia Universidade Federal de Sergipe, 2014.. de. Materiais). -. 1. Materiais - propriedades. 2. Materiais biomédicos. 3. Apatita de cálcio. 4. Apatita de estrôncio. I. Santos, Euler Araujo dos, orient. ll. Título. CDU 66.017.

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(5) Dedico este trabalho a DEUS, a mim, a toda a minha família, e aos meus amigos..

(6) AGRADECIMENTOS. Primeiramente à Deus, sem ele nada é possível. A toda a minha Família, pelo amor, carinho e confiança. Ao meu orientador, professor Dr. Euler Araujo dos Santos, pela paciência, competência e disponibilidade durante a realização do trabalho. A todos os Professores do DCEM, pelos conhecimentos transmitidos no decorrer desta jornada. Aos companheiros de trabalho Matheus e Daniela, pela imensa ajuda, e aos integrantes do Laboratório de Biomateriais, Gilderman, Larissa, Jamilly, Thiago, Gualberto, Juliana e Paloma. Aos meus amigos e colegas, pela convivência, troca de experiências e informações, momentos de conversas e discussões, que nos ajudaram a crescer. A todos aqueles que de alguma forma contribuíram para a realização deste trabalho. A CAPES pela bolsa concedida. E ao CNPq e FAPITEC pelos auxílios financeiros necessários ao andamento das pesquisas aqui realizadas..

(7) Resumo da Dissertação apresentada ao P2CEM/UFS como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais (M.Sc.).. ESTABILIZAÇÃO ESTRUTURAL DE APATITAS DE CÁLCIO E/OU ESTRÔNCIO VIA CO-SUBSTITUIÇÕES IÔNICAS. Leila Melo da Silva Abril/2014 Orientador: Prof. Dr. Euler Araujo dos Santos Programa de Pós Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais O objetivo principal deste trabalho foi estudar a estabilização estrutural de apatitas de cálcio substituídas por estrôncio em concentrações crescentes de estrôncio (0%, 20%, 40,%, 60%, 80% e 100%) via co-substituições iônicas. Para isso, duas sínteses distintas foram propostas em termos comparativos: uma síntese padrão usando contra-íons que não são incorporados facilmente a rede de uma apatita (NH4+/NO3-) e outra, usando contra-íons facilmente incorporados à estrutura (Na+/Cl-). Foi possível observar que o Sr2+ substituiu linearmente o Ca2+ levando a um aumento linear dos parâmetros de rede e volumes da célula unitária para as duas sínteses propostas. A coexistência de duas fases distintas (apatita de cálcio e apatita de estrôncio) foi sugerida apenas para as amostras verdes em concentrações intermediárias (40% e 60%). Após calcinação, apenas as amostras sintetizadas na presença de NH4+/NO3- apresentaram segregação de fase, gerando fosfatos de Ca2+ e/ou Sr2+. Contrariamente, as amostras sintetizadas em presença de Na+/Cl- formaram uma solução sólida após calcinação, onde Ca2+ e Sr2+ compartilharam a mesma rede apatítica. Ficou evidenciado que a entrada do Sr2+ na rede das apatitas facilitou a entrada do íon Cl- na estrutura. Ao mesmo tempo, o íon Na+ foi igualmente inserido na estrutura. Assim, foi possível demonstrar que esses elementos desempenharam um papel importante na estabilização térmica das apatitas.. Palavras-Chave: biomateriais, apatita de cálcio, apatita de estrôncio, dopagem.. vii.

(8) Abstract of Dissertation presented to P²CEM/UFS as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Materials Science and Engineering (M.Sc.). STRUCTURAL STABILIZATION OF CALCIUM AND/OR STRONTIUM APATITES VIA IONIC CO-SUBSTITUTIONS. Leila Melo da Silva. April/2014. Advisor: Prof. Dr. Euler Araujo dos Santos. Department: Materials Science and Engineering. The main objective of this work was to study the structural stabilization of calcium apatites where the Ca2+ ions were substituted for Sr2+ in increasing concentrations (0%, 20%, 40%, 60%, 80% e 100%) via ionic co-substitutions. Two distinct syntheses were proposed for comparative purposes: a standard synthesis using counter ions – which were not easily incorporated into the apatite structure (NH4+/NO3-) – and another one, in which counter ions that can be easily incorporated into the structure (Na+/Cl-) were used. It was observed that Sr2+ ions linearly replaced Ca2+ in the apatite structure, leading to a linear growth of the lattice parameters as well as the unit cell volume for both syntheses. The coexistence of the two phases (calcium apatite and strontium apatite) was suggested only for the samples before calcination at intermediate concentrations (40% and 60%). After calcination, only the samples synthesized in the presence of NH4+/NO3- presented phase transformation, generating calcium and/or strontium phosphates. In contrast, the samples synthesized in the presence of Na+/Cl- formed a solid solution after calcination, having Ca2+ and Sr2+ shared the same apatite lattice. It was shown that the insertion of Sr2+ into the calcium apatite induced the introduction of Cl- ions into the structure. At the same time, Na+ ions were also observed in the structure. Thus, it was evidenced that such elements played an important role in the thermal stabilization of the apatite synthesized in this work.. Keywords: biomaterials, calcium apatite, strontium apatite, doping. viii.

(9) ÍNDICE. RESUMO.......................................................................................................................vii ABSTRACT..................................................................................................................viii. CAPÍTULO I. INTRODUÇÃO....................................................................................17. CAPÍTULO II. OBJETIVOS.......................................................................................21 2.1. OBJETIVO GERAL............................................................................................22 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS..............................................................................22. CAPÍTULO III. REVISÃO DA LITERATURA........................................................23 3.1 HIDROXIAPATITA............................................................................................24 3.2 EFEITO BIOLÓGICO DE SUBSTITUIÇÕES IÔNICAS NA HA.....................27 3.3 SUBSTITUIÇÕES DOS SÍTIOS IÔNICOS DA HA..........................................29 3.3.1. Efeito do Na+ sobre a estrutura da HA.......................................................30 3.3.2. Efeito do Sr2+ sobre a estrutura da HA.......................................................31 3.3.3. Efeito do Cl- sobre a estrutura da HA.........................................................32 3.3.4. Efeito do CO32- sobre a estrutura da HA....................................................32 3.4 – SUBSTITUIÇÃO SIMULTÂNEA NOS SÍTIOS DA HA...............................34. CAPÍTULO IV. MATERIAIS E MÉTODOS............................................................36 4.1 SÍNTESE DAS APATITAS DE Ca2+/Sr2+...........................................................37 4.1.1 Síntese em presença de Na+/Cl-....................................................................37 4.1.2 Síntese em presença de NH4+/NO3-..............................................................38 4.2 COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS APATITAS....................................................38 4.2.1 Análise Elementar.........................................................................................38 4.2.2 Evolução dos grupamentos PO43-, CO32- e OH- nas estruturas apatiticas.........................................................................................................................38 4.3 ESTABILIDADE TÉRMICA DAS APATITAS.................................................39 4.3.1 Análise Térmica............................................................................................39 4.3.2 Tratamento Térmico (calcinação)................................................................39 4.4 ESTRUTURA DAS APATITAS.........................................................................40 ix.

(10) 4.4.1 Análises de difração de raios X....................................................................40 4.4.2 Determinação dos parâmetros de rede........................................................40 4.4.3 Tamanho de cristalito...................................................................................41 4.4.5 Esfericidade dos cristais...............................................................................41. CAPÍTULO V. RESULTADOS...................................................................................43 5.1 COMPOSIÇÃO ELEMENTAR DAS APATITAS.............................................44 5.1.1 Síntese em presença de Na+/Cl-....................................................................44 5.1.2 Síntese em presença de NH4+/NO3-..............................................................44 5.2 EVOLUÇÃO DOS GRUPOS PO43-, CO32- E OH-..............................................44 5.2.1 Antes da calcinação......................................................................................44 5.2.2 Após calcinação a 1000°C/2h......................................................................51 5.3 ESTABILIDADE TÉRMICA DAS APATITAS.................................................53 5.3.1 Apatitas sintetizadas na presença de Na+/Cl-...............................................53 5.3.2 Apatitas sintetizadas na presença de NH4+/NO3-.........................................56 5.4 ESTRUTURA DAS APATITAS DE Ca2+ e Sr2+ ...............................................58 5.4.1 Difração de raios X......................................................................................58 5.4.2 Parâmetros de rede......................................................................................72 5.4.3 Tamanho do cristalito..................................................................................77 5.4.4 Esfericidade dos Cristais..............................................................................78. CAPÍTULO VI. DISCUSSÕES....................................................................................81 6.1. ENTRADA DOS ÍONS SUBSTITUINTES NAS APATITAS..........................82 6.2. ESTABILIDADE TÉRMICA DAS APATITAS................................................86 6.3. ESTRUTURA CRISTALINA DAS APATITAS DE Ca2+/Sr2+..........................90. CAPÍTULO VII. CONCLUSÕES................................................................................93. CAPÍTULO VIII. PERSPECTIVAS PARA TRABALHOS FUTUROS.................96. CAPÍTULO IX. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................98. x.

(11) ÍNDICE DE FIGURAS. Figura 1. (a) Desenho esquemático representando a estrutura da hidroxiapatita em direções perpendiculares aos eixos a e c. Ca: verde; O: vermelho; P: roxo; H: branco (modificado de LAURENCIN et al., 2011). ..................................................................25 Figura 2. (a) Átomos de oxigênio coordenados a coluna do Ca(I) em uma apatita. (b) Átomos de oxigênio vinculados aos tetraedros de fosfato e as posições dos planos horizontais em ¼ e ¾ marcados no eixo c (modificado de ELLIOT, 1994). .........................................................................................................................................26 Figura 3. Arranjo de íons ao redor do eixo vertical c em uma célula unitária apatítica (modificado de ELLIOT, 1994)......................................................................................27 Figura 4. Evolução da quantidade de Na+ presente nas amostras em função da substituição gradual do Ca2+ pelo Sr2+ nas apatitas sintetizadas na presença de Na+/Cl.........................................................................................................................................46 Figura 5. Evolução da quantidade de Cl- presente nas amostras em função da substituição gradual do Ca2+ pelo Sr2+ nas apatitas sintetizadas na presença de Na+/Cl.........................................................................................................................................46 Figura 6. Espectros gerais de absorção na região do infravermelho (FTIR) para as apatitas sintetizadas na presença de Na+/Cl- antes da calcinação....................................48 Figura 7. Espectros gerais de absorção na região do infravermelho (FTIR) para as apatitas sintetizadas na presença de NH4+/NO3-, antes da calcinação.............................48 Figura 8. Espectros de absorção no infravermelho (FTIR) na região de estiramentos ʋ4 PO43- para as apatitas sintetizadas na presença de Na+/Cl-, antes da calcinação.............49 Figura 9. Espectros de absorção no infravermelho (FTIR) na região de estiramentos ʋ4 PO43- para as apatitas sintetizadas na presença de NH4+/NO3-, antes da calcinação.......49 Figura 10. Espectros de absorção no infravermelho (FTIR) na região de CO32- para as apatitas sintetizadas na presença de Na+/Cl-, antes da calcinação...................................50 xi.

(12) Figura 11. Espectros de absorção no infravermelho (FTIR) na região de CO32- para as apatitas sintetizadas na presença de NH4+/NO3-, antes da calcinação.............................50 Figura 12. Espectros gerais de absorção na região do infravermelho (FTIR) para as apatitas sintetizadas na presença de Na+/Cl- após calcinação a 1000°C/2h. ...................51 Figura 13. Espectros gerais de absorção na região do infravermelho (FTIR) para as apatitas sintetizadas na presença de NH4+/NO3-, após calcinação a 1000°C/2h..............52 Figura 14. Espectros de absorção no infravermelho (FTIR) na região de estiramentos ʋ4 PO43- para as apatitas sintetizadas na presença de Na+/Cl-, após calcinação a 1000°C/2h. .........................................................................................................................................52 Figura 15. Espectros de absorção no infravermelho (FTIR) na região de estiramentos ʋ4 PO43- para as apatitas sintetizadas na presença de NH4+/NO3-, após calcinação a 1000°C/2h........................................................................................................................53 Figura 16. Curvas de análise termogravimétrica (TGA) das apatitas sintetizadas na presença de Na+/Cl- .........................................................................................................54 Figura 17. Curvas de análise térmica diferencial (DTA) das apatitas sintetizadas na presença de Na+/Cl-..........................................................................................................54 Figura 18. Ampliação das curvas de análise térmica diferencial (DTA), no intervalo de 700. a. 1000°C,. das. apatitas. sintetizadas. na. presença. de. Na+/Cl-. .........................................................................................................................................55 Figura 19. Efeito da concentração de Sr2+ na temperatura do evento endotérmico (onset) medido. por. DTA. nas. amostras. sintetizadas. em. presença. de. Na+/Cl-. .........................................................................................................................................55 Figura 20. Curvas de análise termogravimétrica (TGA) das apatitas sintetizadas na presença de NH4+/NO3-....................................................................................................56 Figura 21. Curvas de análise térmica diferencial (DTA) das apatitas sintetizadas na presença de NH4+/NO3-....................................................................................................57 xii.

(13) Figura 22. Ampliação das curvas de análise térmica diferencial (DTA), no intervalo de 700. a. 1000°C,. das. apatitas. sintetizadas. na. presença. de. NH4+/NO3-.. .........................................................................................................................................57 Figura 23. Difratograma da amostra Sr-HACl – 0% antes da calcinação e esquemas comparativos usando os padrões JCPDS.........................................................................59 Figura 24. Difratograma da amostra Sr-HACl – 20% antes da calcinação e esquemas comparativos usando os padrões JCPDS.........................................................................59 Figura 25. Difratograma da amostra Sr-HACl – 40% antes da calcinação e esquemas comparativos usando os padrões JCPDS.........................................................................60 Figura 26. Difratograma da amostra Sr-HACl – 60% antes da calcinação e esquemas comparativos usando os padrões JCPDS.........................................................................60 Figura 27. Difratograma da amostra Sr-HACl – 80% antes da calcinação e esquemas comparativos usando os padrões JCPDS.........................................................................61 Figura 28. Difratograma da amostra Sr-HACl – 100% antes da calcinação e esquemas comparativos usando os padrões JCPDS.........................................................................61 Figura 29. Difratograma da amostra Sr-HAN –0% antes da calcinação e esquemas comparativos usando os padrões JCPDS.........................................................................62 Figura 30. Difratograma da amostra Sr-HAN –20% antes da calcinação e esquemas comparativos usando os padrões JCPDS.........................................................................62 Figura 31. Difratograma da amostra Sr-HAN – 40% antes da calcinação e esquemas comparativos usando os padrões JCPDS.........................................................................63 Figura 32. Difratograma da amostra Sr-HAN – 60% antes da calcinação e esquemas comparativos usando os padrões JCPDS.........................................................................63 Figura 33. Difratograma da amostra Sr-HAN – 80% antes da calcinação e esquemas comparativos usando os padrões JCPDS.........................................................................64 xiii.

(14) Figura 34. Difratograma da amostra Sr-HAN – 100% antes da calcinação e esquemas comparativos usando os padrões JCPDS.........................................................................64 Figura 35. Difratograma da amostra Sr-HACl – 0% após calcinação e esquemas comparativos usando os padrões JCPDS.........................................................................65 Figura 36. Difratograma da amostra Sr-HACl – 20% após calcinação e esquemas comparativos usando os padrões JCPDS.........................................................................66 Figura 37. Difratograma da amostra Sr-HACl – 40% após calcinação e esquemas comparativos usando os padrões JCPDS.........................................................................66 Figura 38. Difratograma da amostra Sr-HACl – 60% após calcinação e esquemas comparativos usando os padrões JCPDS.........................................................................67 Figura 39. Difratograma da amostra Sr-HACl – 80% após calcinação e esquemas comparativos usando os padrões JCPDS.........................................................................67 Figura 40. Difratograma da amostra Sr-HACl – 100% após calcinação e esquemas comparativos usando os padrões JCPDS.........................................................................68 Figura 41. Difratograma da amostra Sr-HAN – 0% após calcinação e esquemas comparativos usando os padrões JCPDS.........................................................................69 Figura 42. Difratograma da amostra Sr-HAN – 20% após calcinação e esquemas comparativos usando os padrões JCPDS.........................................................................69 Figura 43. Difratograma da amostra Sr-HAN – 40% após calcinação e esquemas comparativos usando os padrões JCPDS.........................................................................70 Figura 44. Difratograma da amostra Sr-HAN – 60% após calcinação e esquemas comparativos usando os padrões JCPDS.........................................................................70 Figura 45. Difratograma da amostra Sr-HAN – 80% após calcinação e esquemas comparativos usando os padrões JCPDS.........................................................................71. xiv.

(15) Figura 46. Difratograma da amostra Sr-HAN – 100% após calcinação e esquemas comparativos usando os padrões JCPDS.........................................................................71 Figura 47. Variação dos parâmetros de rede a e c em função da % mol de Sr2+, das amostras de Sr-HACl, antes da calcinação.......................................................................73 Figura 48. Variação dos parâmetros de rede a e c em função da % mol de Sr2+, das amostras de Sr-HACl, após calcinação.............................................................................74 Figura 49. Variação dos parâmetros de rede a e c em função da % mol de Sr2+, das amostras de Sr-HAN, antes da calcinação........................................................................74 Figura 50. Variação dos parâmetros de rede a e c em função da % mol de Sr2+, das amostras de Sr-HAN, após calcinação.............................................................................75 Figura 51. Variação do volume da célula unitária em função da % mol de Sr2+, das amostras de Sr-HACl........................................................................................................76 Figura 52. Variação do volume da célula unitária em função da % mol de Sr2+, das amostras de Sr-HAN.........................................................................................................76 Figura 53. Tamanho do cristalito das apatitas sintetizadas na presença de Na+/Cl-, antes e após o processo de calcinação a 1000°C......................................................................77 Figura 54. Tamanho do cristalito das apatitas sintetizadas na presença de NH4+/NO3-, antes e após o processo de calcinação a 1000°C.............................................................78 Figura 55. Esfericidade dos cristais das apatitas sintetizadas na presença de Na+/Cl-, antes e após o processo de calcinação a 1000°C.............................................................79 Figura 56. Esfericidade dos cristais das apatitas sintetizadas na presença de NH4+/NO3antes e após o processo de calcinação a 1000°C.............................................................79 Figura 57. Estimativa de perda de CO2 em função da concentração de Sr2+ nas amostras sintetizadas em presença de Na+/Cl-................................................................................89. xv.

(16) ÍNDICE DE TABELAS. Tabela 1. Raios iônicos de elementos em compostos com número de coordenação igual a 6 (SHANNON, 1976)..................................................................................................30 Tabela 2. Proporções molares teóricas entre os elementos Ca2+ e Sr2+ nas sínteses das apatitas em presença de cloreto e nitrato.........................................................................37. Tabela 3. Composição elementar (% mol) das apatitas sintetizadas na presença de Na+/Cl-.............................................................................................................................45. Tabela 4. Composição elementar (% mol) das apatitas sintetizadas na presença de NH4+/NO3-.......................................................................................................................45 Tabela 5. Parâmetros de rede calculados a partir dos difratogramas de raios X para as apatitas. sintetizadas. na. presença. de. Na+/Cl-,. antes. e. após. calcinação........................................................................................................................72. Tabela 6. Parâmetros de rede calculados a partir dos difratogramas de raios X para as apatitas sintetizadas na presença de NH4+/NO3-, antes e após calcinação.......................73. xvi.

(17) CAPÍTULO I. INTRODUÇÃO. 17.

(18) As propriedades de biocompatibilidade e bioatividade apresentada pelos fosfatos de cálcio se constituem no foco de estudos para o desenvolvimento de biocerâmicas que favoreçam a regeneração do tecido ósseo, em tratamentos que envolvem a ortopedia e a odontologia. Dentre os diversos fosfatos de cálcio existentes, a apatita de cálcio, mais conhecida como hidroxiapatita (HA), de fórmula química Ca10(PO4)6(OH)2, é destacadamente um dos fosfatos mais aplicados como biomaterial, devido a sua semelhança química com a fase mineral observada na matriz extracelular de ossos e dentes (LEÓN et al., 2009). O tecido ósseo é formado por uma fase inorgânica constituída de uma apatita carbonatada, mineralizada sob uma fase orgânica composta majoritariamente por colágeno do tipo I. Essa apatita, comumente chamada de apatita biológica, organiza-se geralmente na forma de cristais nanométricos, deficientes em cálcio e contendo substituições aniônicas e catiônicas em sua estrutura, tais como: Na+, Mg2+, Sr2+, K+, Cl, F-, Zn2+, Mn2+, CO32-, e SiO44-, HPO42- (YAO et al., 2009; TÕNSUAADU et al., 2012; ZEGLINSKI et al., 2012). No ambiente biológico, a precipitação da apatita sobre o colágeno ocorre em meio ao plasma sanguíneo que contém vários desses íons, os quais são naturalmente incorporados aos cristais de apatita ao longo do processo de mineralização, desempenhando papéis importantes na manutenção do metabolismo ósseo (BOANINI et al., 2010). Assim como as apatitas biológicas, as apatitas minerais observadas na natureza também não são compostos puros, apresentando em sua estrutura substituições parciais dos íons cálcio por Sr2+, Ba2+, Mg2+, Mn2+, K+, Na+, Fe2+, e dos os íons fosfato por AsO43-, CO32- e VO43-, entre outros (WOPENKA et al., 2005; DOROZHKIN, 2009a). O grande interesse no desenvolvimento e melhoria das propriedades biológicas da HA visando aplicações biomédicas deve-se exatamente ao fato de sua estrutura ser capaz de acomodar íons substituintes em todos os seus sítios iônicos. A inclusão de outros elementos nos sítios originais da HA pode induzir respostas biológicas diferenciadas daquelas originais, atribuindo características e propriedades novas, capazes de aumentar o grau de biocompatibilidade desses materiais. Este aumento da biocompatibilidade também pode ser observado através da associação de apatitas com proteínas e fatores de crescimento. A primeira geração das chamadas cerâmicas inteligentes (smart bioceramics) esteve fundamentada na associação de proteínas às cerâmicas (via absorção, adsorção, ou sínteses in situ) numa tentativa de controle das atividades celulares e, portanto, da 18.

(19) biocompatibilidade desses materiais. No entanto, a utilização dessas proteínas em dispositivos biomédicos é dificultada devido a diversos fatores: dificuldade de manipulação e estabilização dessas proteínas e fatores de crescimento, além do alto custo associado naturalmente a esses materiais. Dessa forma, uma alternativa promissora no desenvolvimento dessas chamadas cerâmicas inteligentes se constitui na dopagem de cerâmicas com íons biofuncionais (DOROZHKIN, 2013). Portanto, a proposta de criação de apatitas com desenhos químicos e estruturais adequados pela dopagem com íons biofuncionais é a fundamentação básica para a criação de biocerâmicas de fosfatos de cálcio que estimulem respostas biológicas controladas. Dentre os substituintes do Ca2+, o íon Sr2+ tem sido estudado de forma recorrente como um dos elementos dopantes capazes de controlar a atividade biológica de osteoblastos, melhorando o desempenho biológico dessas cerâmicas quando implantadas no corpo (AINA et al., 2013; XIE et al., 2013; COX et al., 2014). O Sr2+ é encontrado em calcificações biológicas e está associado à diminuição da reabsorção óssea e aumento na proliferação e diferenciação dos osteoblastos (BOSE et al., 2011; BUACHE et al., 2012). Apesar dos benefícios da introdução de Sr2+ na estrutura de apatitas de cálcio, essa entrada afeta diretamente sua cristalinidade, introduzindo defeitos que podem induzir transformações de fase em tratamentos a alta temperatura. Tratando-se de uma apatita, as fases que surgem após tratamentos térmicos são geralmente menos biocompatíveis, tais como, fosfato tricálcico α (α-TCP) e fosfato tricálcico β (β-TCP), e, muitas vezes, até mesmo tóxicas para as células como o óxido de cálcio (CaO) (KUPIEC et al., 2012). Como a maior parte dos dispositivos cerâmicos fabricados para posterior implantação no corpo necessitam de tratamentos térmicos durante a sua fabricação, é necessário que se busque meios para que a introdução desses novos grupamentos iônicos não gere esse tipo de instabilidade na estrutura. Recentemente, vários estudos demonstraram que, ao contrário da instabilidade estrutural provocada pela entrada de um único elemento dopante, a entrada simultânea de diferentes elementos com diferentes cargas e tamanhos pode estabilizar a estrutura evitando transformações de fase em alta temperatura (AINA et al., 2012; KUMAR et al., 2012; MOREIRA et al., 2012). Portanto, um dos meios de se evitar transformações de fase em apatitas contendo íons dopantes seria a introdução simultânea de outros íons no momento da síntese. A hipótese mais aceita é que as zonas de tração ou compressão na rede cristalina causada pela entrada de um íon substituinte possam ser equilibradas 19.

(20) pela entrada de outros íons de diferentes tamanhos e cargas. Alguns estudos vêm demonstrando que íons facilmente encontrados em ambientes de síntese e na própria composição original da fase mineral óssea, tais como, Na+, Cl- e CO32- podem estabilizar termicamente a fase apatita em associação com outros elementos dopantes (KANNAN et al., 2006a; MOSTAFA et al., 2011). Assim, a proposta desse trabalho de dissertação é estudar como a substituição do Ca2+ pelo Sr2+ em uma apatita de cálcio pode ser afetada pela presença de outros elementos de cargas e tamanhos diferentes, especificamente Na+, Cl- e CO32- durante a síntese, alterando a sua estabilidade térmica, e contribuindo para se chegar a uma definição sobre como essas estabilizações de rede cristalina ocorrem de fato.. 20.

(21) CAPÍTULO II. OBJETIVOS. 21.

(22) 2.1. OBJETIVO GERAL. O objetivo principal deste trabalho foi estudar a estabilização estrutural de apatitas de cálcio e/ou estrôncio via co-substituições iônicas para sínteses em meio aquoso.. 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS . Avaliar o comportamento de substituição gradual dos íons Ca2+ por Sr2+ numa estrutura apatítica;. . Determinar as mudanças estruturais induzidas pela entrada do Sr2+;. . Estudar como os reagentes de partida podem interferir na estabilização térmica de apatitas de cálcio e/ou estrôncio;. . Estudar o comportamento do CO32- em função da entrada de Sr2+ na rede;. 22.

(23) CAPÍTULO III. REVISÃO DA LITERATURA. 23.

(24) 3.1 HIDROXIAPATITA. A apatita de cálcio de fórmula química Ca10(PO4)6(OH)2 é um fosfato de cálcio hidroxilado, comumente conhecido como hidroxiapatita (HA), podendo apresentar uma estrutura cristalográfica monoclínica ou hexagonal (ELLIOT, 1994). A HA hexagonal apresenta uma densidade de 3,16 g/cm3, parâmetros de rede a = 9,430Å e c = 6,891Å e grupo espacial P63/m, ou seja, a estrutura caracteriza-se por seis eixos c perpendiculares a três equivalentes eixos a, formando um ângulo de 120° entre eles. Uma unidade de célula unitária hexagonal acomoda 10 íons Ca2+, 6 íons PO43- e 2 íons OH-, sendo os 10 íons Ca2+ distribuídos em dois sítios distintos dentro da célula unitária, o sítio Ca(I) e o sítio Ca(II), sendo 04 íons nos sítios Ca(I) e 06 nos sítios Ca(II) (Figura 1) (LEGEROS, 1981; ELLIOT, 1994). Os íons pertencentes ao sítio Ca(I) estão ligados a 09 átomos de oxigênio, sendo seis destes átomos de oxigênios pertencentes a diferentes tetraedros de fosfato e os outros três átomos de oxigênio distantes. Os íons Ca2+ pertencentes ao sítio Ca(I) são organizados em colunas paralelas aos canais da OH- , localizados no plano Z = 0 e Z = ½. (Figura 2) (LEGEROS, 1981; ELLIOT, 1994). Os outros íons Ca2+ pertencem ao sítio Ca(II) estão ligados a 07 átomos de oxigênio, sendo seis átomos de oxigênio do tipo O(I), O(II) e O(III) e um átomo pertencente a hidroxila, (BADRAOUI et al., 2009; REN et al., 2010). Os íons Ca2+ do sítio do Ca(II) são escalonados, formando as bordas dos canais hexagonais das hidroxilas, ou seja, formam triângulos equiláteros perpendiculares ao eixo c, localizados nos planos Z = ¼ e Z = ¾ (Figura 3). Partindo dessas descrições dos arranjos dos sítios Ca(I) e Ca(II), acredita-se que em casos de substituições do íon Ca2+ por outros íons bivalentes, os cátions com raio iônico menor do que o do Ca2+ tendem a ser distribuídos primeiramente nos sítios do Ca(I), podendo preencher também os sítios do Ca(II) quando em altas concentrações. Em contrapartida, cátions maiores são preferencialmente distribuídos no sítio do Ca(II), podendo preencher igualmente os sítios do Ca(I) quando em altas concentrações (BRADAOUI et al., 2009; BOANINI et al., 2010).. 24.

(25) Figura 1. (a) Desenho esquemático representando a estrutura da hidroxiapatita em direções perpendiculares aos eixos a e c. Ca: verde; O: vermelho; P: roxo; H: branco (modificado de LAURENCIN et al., 2011).. 25.

(26) Figura 2. (a) Átomos de oxigênio coordenados a coluna do Ca(I) em uma apatita. (b) Átomos de oxigênio vinculados aos tetraedros de fosfato e as posições dos planos horizontais em ¼ e ¾ marcados no eixo c (modificado de ELLIOT, 1994).. A vizinhança dos tetraedros de PO43- é composta por cinco sítios Ca(II) e quatro sítios Ca(I). Cada átomo de fósforo está ligado a quatro átomos de oxigênio formando assim os seis tetraedros de fosfato, que estão arranjados nos planos Z = ¼ e Z = ¾. Estes tetraedros de fosfato proporcionam a base estrutural das apatitas, garantindo dessa forma a estabilidade do retículo cristalino. Os grupos hidroxila são posicionados em colunas arranjadas ao longo do eixo c da célula unitária e são rodeados apenas por sítios Ca(II). (LEGEROS, 1981; MOSTAFA et al., 2007; WANG et al., 2008).. 26.

(27) Figura 3. Arranjo de íons ao redor do eixo vertical c em uma célula unitária apatítica (modificado de ELLIOT, 1994).. 3.2 EFEITO BIOLÓGICO DE SUBSTITUIÇÕES IÔNICAS NA HA Os íons Sr2+, Na+, CO32- e Cl- estão presentes na composição do esmalte do dente, da dentina e do osso. Estes íons participam, juntamente com os outros constituintes do tecido ósseo, dos processos de metabolismo e remodelação óssea (LEGEROS, 2008; DOROZHKIN, 2009a e 2009b). Os íons Na+ estão associados a processos de adesão celular, metabolismo ósseo e reabsorção, através da atividade dos osteoblastos e osteoclastos. Esse elemento compõe 0,50% em peso do esmalte dentário, 0,60% em peso da dentina e 0,9% em peso do osso. Já os íons Cl- estão presentes em menores quantidades no esmalte, na dentina e no osso, cerca de 0,30%, 0,01% e 0.13% em peso, respectivamente. Os íons Cl- estão associados. 27.

(28) ao processo de reabsorção óssea, através da formação de um meio ácido sobre a superfície óssea que ativa os osteoclastos (KANNAN et al., 2008a). Cerca de 4 a 8% em peso da apatita biológica se deve a CO32-, o qual é responsável por propriedades como bioatividade e, principalmente, solubilidade dessas apatitas. KOVALEVA et al. (2009) observaram que o aumento da concentração desse íon em uma HA leva a uma maior bioatividade do material quando inserido em meio biológico. KUMAR et al. (2012) também observaram uma maior bioatividade da HA contendo CO32-, além de um aumento considerável na sua dissolução. A atividade biológica do íon Sr2+ no tecido ósseo está associada com uma melhoria na proliferação e diferenciação dos osteoblastos, aumento da síntese de colágeno osteoblástico e uma diminuição no processo de reabsorção óssea, através da inibição da diferenciação e apoptose dos osteoclastos. Em tratamentos de osteoporose a utilização do ranelato de estrôncio tem-se mostrado muito eficiente na redução de fraturas (AINA et al., 2013; LIN et al., 2013; LU et al., 2013; XIE et al., 2013; COX et al., 2014; ROSSI et al., 2014). Relatos de SHEN et al. (2012) sobre o efeito biológico da dopagem da HA do tipo whiskers com Sr2+ (6,6% at.), mostraram que as amostras contendo estrôncio como dopante apresentaram um maior potencial terapêutico para regeneração óssea em comparação com as amostras sem a presença do dopante. Além disso, a proliferação das células do tipo MG-63 foi favorecida na presença deste íon. CHUNG et al. (2011) avaliaram o efeito da substituição de Ca2+ por Sr2+ em revestimentos de HA sobre titânio, na resposta dos osteoblastos e osteoclastos, para as seguintes concentrações usando a razão Sr/(Sr + Ca): 0%, 3%, 7%, 15%, 25%, 50%, 75% e 100%. Verificou-se após 4 e 48h que os revestimentos contendo Sr2+ possuem uma melhor adesão e proliferação dos osteoblastos (células osteoblásticas MC3T3-E1) com relação ao titânio bruto e ao revestimento sem o dopante. No entanto, as amostras contendo 50% e 75% at. de Sr2+ apresentaram uma menor resposta das células osteoblásticas, sendo justificada pelos autores por uma possível heterogeneidade dos revestimentos. Os estudos feitos com células osteoclásticas do tipo RAW264.7 após 7 dias de cultivo, revelaram ainda uma reduzida atividade destas células nos revestimentos de HA dopada com Sr2+, em comparação com as amostras de Ti bruto e o revestimento de HA pura. A supressão da diferenciação dos osteoclastos foi maior para as concentrações superiores a 38,9 % at. de Sr2+.. 28.

(29) Microesferas mesoporosas de HA pura e dopadas com 1, 3 e 5% at. de Sr2+ foram sintetizadas via método hidrotermal por LIN et al. (2013). Os resultados mostraram uma melhoria na proliferação e diferenciação osteogênica das células MG63, para as amostras dopadas, principalmente para a amostra contendo 3% mol de Sr2+. ZHANG et al. (2011) estudaram a influência do Sr2+ em biomateriais, como HA, borosilicatos e silicatos de cálcio sintéticos. Para as amostras de HA contendo 0, 10, 40 e 100% at. de Sr2+, verificou-se que a atividade osteoblástica (células MG-63.3A) é afetada pelo teor de Sr2+ incorporado na rede da HA. As amostras contendo 10 e 40% de Sr2+ apresentaram uma atividade celular aumentada após 7 dias. Em contrapartida, a dopagem com 100% at. de Sr2+ pareceu inibir a proliferação celular, já que os osteoblastos aderidos não apresentaram sinais de proliferação.. 3.3 SUBSTITUIÇÕES DOS SÍTIOS IÔNICOS DA HA. Todos os grupamentos iônicos da HA são passíveis de serem substituídos por outros íons diferentes dos originais. Por isso, a representação geral de uma apatita é: M10(XO4)6Y2, onde M é geralmente um cátion divalente (Ca2+, Sr2+, Ba2+, Mg2+, Cd2+, Pb2+, etc.), XO4 é um ânion bi, tri ou tetravalente (CO32-, PO43-, VO43-, AsO43-, SiO44-, etc.), e Y é um ânion mono ou bivalente (OH-, Cl-, Br-, F-, CO32-, etc) (DOROZHKIN, 2007; BADRAOUI et al., 2009; TERRA et al., 2009; TÕNSUAADU et al.; 2012). Relatos da literatura mostram que essas substituições podem ser mais amplas envolvendo desde cátions monovalentes, tais como o Na+, até grupamentos complexos como o MnO43- (MAYER et al., 2010; PALUSZKIEWICZ et al., 2010; KANNAN et al., 2011; MOSTAFA et al., 2011). A posição ocupada pelos íons substituintes na rede cristalina de uma apatita afeta diretamente sua estabilidade térmica e físico-química já que, dependendo do local ocupado pelo íon, maiores ou menores perturbações na rede podem ser geradas. A ocupação preferencial desses íons por um sítio apatítico específico é dependente do tamanho (raio iônico) do íon substituinte, do seu estado de oxidação e da sua eletronegatividade. Pode-se observar na Tabela 1 os raios iônicos de alguns íons citados neste trabalho.. 29.

(30) Tabela 1. Raios iônicos de elementos em compostos com número de coordenação igual a 6 (SHANNON, 1976). Íon. Raio iônico (Å). Ca2+. 1,00. Na+. 1,02. Sr2+. 1,18. OH-. 1,37. NH4+. 1,49. Cl-. 1,81. Casos em que o raio iônico dos íons substituintes é próximo ao do grupo iônico original, a eletronegatividade tende a ser o parâmetro que irá definir a ocupação (BRADAOUI et al., 2009; ZEGLINSKI et al., 2012). 3.3.1. Efeito do Na+ sobre a estrutura da HA A maioria dos estudos sobre substituições de íons Ca2+ por íons Na+ trazem relatos desta substituição juntamente com a entrada de outros elementos que venham a compensar o desequilíbrio de carga gerado ou a criação de vacâncias na estrutura, principalmente de OH- (WOPENKA et al., 2005). KANNAN et al. (2008b) estudaram a inserção de íons Na+ na rede cristalográfica da HA. Amostras de HA pura e dopadas com Na+ foram sintetizadas pelo método de precipitação aquosa, utilizando como precursores o nitrato de cálcio tetrahidratado, dihidrogenofosfato de amônio e nitrato de sódio, para controle de pH utilizou-se o hidróxido de amônia. O aumento da concentração de Na+ ocasionou uma diminuição das bandas de OH- e PO43- e da cristalinidade das amostras, sugerindo a geração de vacâncias e rearranjos estruturais. Isso foi igualmente descrito por ADZILA et al. (2013) usando mecanosíntese (moagem) para dopar a HA com Na+. Ainda, KANNAN et al. (2008b) observaram que a estabilidade térmica das amostras não foi mantida para as amostras com maiores concentrações de Na+, uma vez que a partir de 800°C se observou a formação de β-TCP e posteriormente entre 1200 e 1300°C ocorreu o surgimento da fase secundária α-TCP. As amostras de HA pura e aquelas contendo uma pequena concentração de Na+ não apresentaram transformações de fases até. 30.

(31) 1200°C. O parâmetro de rede c e o volume da célula unitária expandiram com a entrada do Na+ na estrutura. 3.3.2. Efeito do Sr2+ sobre a estrutura da HA A substituição dos íons Ca2+ por íons de Sr2+ na rede cristalina de uma apatita leva a uma alteração significativa dos parâmetros da célula unitária, tamanho do cristalito e cristalinidade (TERRA et al., 2009; BOANINI et al., 2010; SHEPERED et al., 2012; ZEGLINSKI et al., 2012; AINA et al., 2013). TERRA et al. (2009) mostraram que a substituição do Ca2+ pelo Sr2+ em proporções crescentes (0, 1, 5, 10 e 15%) levou a uma expansão linear dos parâmetros de rede correspondente ao aumento da concentração de Sr2+ na estrutura. Refinamentos por Rietveld ainda evidenciaram que para baixas concentrações de Sr2+, a entrada do íon no sítio do Ca(I) é favorecida. Com o aumento da concentração, houve uma preferência pela ocupação dos sítios do Ca(II). Os autores verificaram por DRX que os picos apresentados eram característicos da HA, sem a presença de fases correspondentes a outros fosfatos de cálcio. ZEGLINSKI et al. (2012) estudaram a dopagem de Sr2+ na rede cristalina da HA nas concentrações de 0, 10, 25, 50, 75 e 100% at. através do método de reação no estado sólido. Os difratogramas obtidos mostraram a presença de uma única fase, sem a presença de possíveis fases TCP e um deslocamento dos picos característicos da HA, característico de uma expansão da célula unitária devido à entrada do íon dopante na estrutura. Análises de Rietveld e modelagem por método ab initio mostraram um alongamento dos parâmetros de rede, devido ao maior raio do Sr2+ em comparação com o raio iônico do Ca2+.. A entrada de uma pequena quantidade de Sr2+ no sítio Ca(I) é favorecida, já que o deslocamento uniforme dos tetraedros de fosfato que circundam o sítio do Ca(I), para os canais de hidroxila vizinhos, permitem uma melhor acomodação dos íons Sr2+ naquele sítio. Para amostras calcinadas, ocorre uma substituição em ambos os sítios do Ca2+, independente da concentração de Sr2+. Para síntese em temperatura moderada (90°C), a substituição do sítio Ca(II) é mais favorável para quantidades de 20% de Sr2+. Já para maiores concentrações de Sr2+, a simulação evidenciou uma preferência por ambos os sítios, Ca(I) e Ca(II). Mudanças na estabilidade da fase apatita foram observadas por YATONGCHAI et al. (2013) e AINA et al. (2013). O primeiro grupo de pesquisadores estudou adições de 5% e 10% de Sr2+ na HA usando síntese em meio aquoso. Os resultados de DRX 31.

(32) mostraram que a entrada do Sr2+ desestabilizou termicamente a fase HA, uma vez que picos característicos da fase TCP foram observados após calcinação a 900°C. Os tratamentos térmicos a temperaturas de 1000 e 1100°C das amostras dopadas favoreceu o aparecimento de β-TCP, principalmente nas amostras dopadas com 10% de Sr2+. AINA et al. (2013) estudaram substituições parciais de Ca2+ por Sr2+ na HA usando reação em estado sólido e observou, por DRX, que a amostra contendo 20% at. de Sr2+ não apresentou picos característicos de outras fases, enquanto que a amostra contendo 40% at. de Sr2+ apresentou pequenas quantidades da fase β-TCP. Refinamentos de Rietveld apontaram uma expansão nos parâmetros de rede com a adição do Sr2+. Foi verificada também uma diminuição no tamanho do cristalito e na cristalinidade das amostras com a adição do Sr2+ em relação a HA pura. OZEKI et al. (2013) também observaram transformações de fases em filmes finos de HA dopados com 25%, 50%, 75% e 100% de Sr2+, depositados em superfícies de Ti por sputtering. A presença das fases β-TCP (Fosfato tricálcico - β) e β-CPP (Pirofosfato de cálcio - β) foram observadas após calcinação a 700°C/1h. 3.3.3. Efeito do Cl- sobre a estrutura da HA Poucos estudos são destinados à substituição dos íons OH- por íons Cl-, no entanto, sabe-se que esta substituição leva a uma alteração nos parâmetros de rede, causando uma expansão nas dimensões do parâmetro de rede a e uma contração das dimensões do parâmetro c (LEGEROS, 1981). KANNAN et al. (2006b) mostraram que os íons Cl- substituem de fato as hidroxilas na rede de uma HA. Os espectros de FTIR mostraram uma diminuição das bandas características da OH- com o aumento da concentração de Cl- nas amostras. Em outro estudo sobre uma co-substituição dos íons Cl- e F- na estrutura da HA, KANNAN et al. (2008a) demonstraram uma contração no parâmetro de rede a e do volume da célula unitária, no entanto, o parâmetro c não sofreu alterações. O aumento da concentração dos íons Cl- e F- suprimiram as bandas de OH- nos espectros de FTIR.. 3.3.4. Efeito do CO32- sobre a estrutura da HA A introdução de íons CO32- é facilmente conseguida e afeta diretamente os parâmetros de rede, o tamanho do cristalito e a morfologia das apatitas. Esta substituição pode ocorrer em dois ambientes diferentes da estrutura das apatitas: 32.

(33) substituição dos íons OH- ou dos íons PO43-. Quando os íons CO32- substituem os íons OH-, tem-se uma substituição do tipo A, na qual observa-se uma expansão nas dimensões do parâmetro de rede a juntamente com uma contração do parâmetro c. Já nos casos em os íons PO43- são substituídos pelos íons CO32-, tem-se uma contração nas dimensões do parâmetro de rede a e uma expansão do parâmetro c, sendo esta substituição denominada do tipo B (LEGEROS, 1981; PEROOS et al., 2006; WANG et al.; 2008). As bandas de absorção no infravermelho características de CO32- em substituições do tipo A são observadas em torno de 880, 1450 e 1545 cm−1, enquanto que substituições do tipo B são caracterizadas pelas bandas em torno 875, 1410 e 1455 cm−1 (FRANK-KAMENETSKAYA et al., 2011; WEI et al., 2012). YAO et al. (2009) estudaram a substituição de Na+ e CO32- em fluoropatitas (mantendo a concentração de F- constante). Observaram que os íons CO32- ocuparam, preferencialmente, os sítios de PO43-, uma vez que houve um decréscimo da resolução da banda υ3 dos grupamentos PO43- nos espectros de FTIR, com o aumento da concentração de CO32-. Além disso, a contração do parâmetro de rede a confirmou, para eles, a ocorrência de uma substituição do tipo B. Uma diminuição na cristalinidade e no tamanho do cristalito também foi observado com o aumento da concentração desses íons. Os cristais, que antes exibiam um formato de agulhas, passaram ao formato mais arredondado após a entrada do Na+ e CO32- no retículo cristalino da fluoropatita. KOVALEVA et al. (2009) demonstraram que o aumento do teor de CO32- levou a redução do caráter acicular das partículas de HA e a uma diminuição da intensidade das bandas da OH- nos espectros de FTIR. Os autores sugeriram que o mecanismo de compensação de cargas, supondo uma substituição mínima de Na+ nos sítios do Ca2+, depende do tipo de substituição ocorrido para os íons CO32-. Em substituições do tipo A, ocorre à formação de uma vacância de OH- como uma forma de compensação de carga. Nas substituições do tipo B, vacâncias nos sítios do Ca2+ são observadas. Nos casos em que os íons CO32- ocupam ao mesmo tempo o ambiente da OH- e dos íons PO43-, acredita-se que ocorre um relaxamento das tensões ocasionadas pela substituição, estabilizando mais o cristal. FEKI et al. (2000) também observaram as mesmas variações nos espectros de FTIR e nos parâmetros de rede citadas por YAO et al. (2009), para apatitas de cálcio dopadas com os íons Na+ e CO32-. Refinamentos Rietveld mostraram uma preferência do íon Na+ pelo sítio Ca(II). A entrada destes íons ocasiona um deslocamento nos canais das OH-, devido a uma menor interação entres estas e os íons Na+, diminuindo dessa 33.

(34) forma a atração dos íons OH- pelos cátions metálicos que o rodeiam e, consequentemente, aumentando a distância entre eles. Perturbações nos tetraedros de PO43- também foram vistas, uma vez que a distância da ligação P-O sofre uma diminuição com o aumento do teor de CO32-. Sugere-se que as substituições do íon CO32- na rede das apatitas são acompanhadas pela facilitação da entrada do íon Na+ nos sítios do Ca2+. Nestes casos, há uma compensação de cargas na estrutura, uma vez que a substituição dos íons PO43- pelo CO32- pode ser compensada pela substituição dos íons Ca2+ pelos íons Na+. 3.4 – SUBSTITUIÇÃO SIMULTÂNEA NOS SÍTIOS DA HA. Trabalhos na literatura se dedicam a estudar o efeito da inserção simultânea de íons diferentes na rede cristalina da HA. Os relatos existentes apontam que a substituição simultânea de mais de um íon nos sítios do Ca2+, PO43- e OH- da HA promove uma maior estabilização da sua estrutura. Recentemente, MOREIRA et al. (2012) estudaram a inclusão simultânea dos íons Mg2+, Sr2+ e Mn2+ na rede cristalina da HA. Foi verificado que a entrada conjunta dos íons favoreceu o ordenamento da estrutura e, portanto, o aumento da cristalinidade. Os parâmetros de rede observados para a amostra dopada com os três íons também foram próximos ao da HA pura. Os autores atribuíram esta característica ao fato do raio médio dos íons ser próximo ao raio do íon Ca2+, havendo a possibilidade de que as perturbações da rede causadas pela entrada de apenas um íon, fosse reduzida pela entrada sucessiva dos outros íons na estrutura. Estudos realizados por AINA et al. (2012) sobre a inclusão individual de íons Mg2+ e simultânea de Sr2+ e Mg2+, mostraram que na amostra dopada somente com Mg2+ observou-se a presença da fase β-TCP após tratamento térmico. No entanto, uma co-substituição dos íons Mg2+ e Sr2+, promoveu uma diminuição no aparecimento desta fase secundária. KUMAR et al. (2012), verificaram que a substituição simultânea de Zn2+ e CO32na HA promoveram uma menor formação das fases β-TCP e α-TCP , após calcinação a 1300°C, em comparação com a amostra de HA pura e dopada somente com Zn2+. Os autores atribuíram este fato ao mecanismo de compensação na estrutura, ou seja, as vacâncias criadas na estrutura da HA pela entrada do CO32- nos tetraedros de PO43- é compensada pela substituição do Zn2+ nos sítios do Ca2+. 34.

(35) KANNAN et al. (2006a) estudaram a co-substituição dos íons Na+ e Mg2+ na HA e verificaram, após a calcinação das amostras a temperaturas de 700, 800, 1000, 1300 e 1400°C, a formação da fase β-TCP já a partir de 800°C. No entanto, foi observado que a substituição simultânea contribuiu para inibir o aparecimento da fase αTCP, já que para as amostras dopadas, somente a com baixo teor de Mg2+ apresentou a fase α-TCP após calcinação a 1400°C. Os autores destacaram que uma vez que estudos prévios mostraram que HA dopadas com Na+ são estáveis até 1200°C, a inserção do Mg2+ pareceu contribuir para a estabilização da fase apatita até 1400°C. Nesse caso, o efeito da ação simultânea na estabilização da estrutura é evidente, uma vez que o próprio Mg2+ é conhecido por estabilizar a fase TCP em baixas temperaturas quando individualmente incluído na rede cristalina da HA (HANIFI et al., 2010; REN et al., 2010). MOSTAFA et al. (2011) estudaram a co-substituição de Na+, SiO44-e CO32- na HA produzida pelo método de precipitação aquosa, utilizando Ca(OH)2 , NaH2PO4 e Na4SiO4 (este último em diversas concentrações), realizando a síntese sem controle da atmosfera (favorecendo a entrada de CO32- no sistema). Para as amostras contendo silicato, o estudo de estabilidade térmica mostrou que a 900°C, todas as amostras exibiram um aumento da cristalinidade e boa estabilidade, sem a ocorrência de quaisquer transformações de fases. Para a temperatura de 1100°C, as amostras com alto teor de silicato, transformaram-se em Ca5(PO4)2SiO4. Já as amostras contendo apenas Na2+ e CO32- exibiram uma boa estabilidade térmica mesmo a 1100°C, sendo este fato atribuído a entrada de Na2+ no sítio do Ca2+ e a entrada de CO32- no sítio de PO43-. Esta estabilidade é mantida mesmo após a saída do CO32- a 900°C. Esses estudos apontam que a inclusão de íons de diferentes tamanhos e cargas na rede da HA podem vir a compensar as tensões estruturais causadas pela entrada de um único tipo de dopante. Assim, um meio para que se possa incluir íons biologicamente importantes para o metabolismo ósseo e de difícil entrada na rede da HA seja a cosubstituição (co-dopagem) com outros íons igualmente importantes biologicamente e que consigam equilibrar as tensões residuais originarias da entrada daquele primeiro.. 35.

(36) CAPÍTULO IV. MATERIAIS E MÉTODOS. 36.

(37) 4.1 SÍNTESE DAS APATITAS DE Ca2+/Sr2+ 4.1.1 Síntese em presença de Na+/ClAs apatitas de Ca2+ e/ou Sr2+ foram obtidas pelo método de precipitação em solução aquosa, através de uma reação entre ácido fosfórico e cloretos de cálcio e/ou estrôncio. As proporções de Ca2+ e Sr2+ usadas na síntese estão apresentadas na Tabela 2. Uma solução 0,220 mol/L de ácido fosfórico (125 mL) foi adicionada numa velocidade constante (1 mL/min) a uma solução 0,334 mol/L de cloreto de cálcio e/ou estrôncio (125 mL) sob agitação constante, a uma temperatura de 60°C, em reator sem controle de atmosfera, permitindo a entrada livre de CO32-. O pH foi mantido constante em 10,0 durante a síntese, com a adição de NaOH. Posteriormente, o precipitado foi envelhecido por 24h nas mesmas condições descritas acima. Após este período, o mesmo foi filtrado e lavado com água destilada 3 vezes para eliminação de precursores remanescentes e íons solúveis. O material formado foi seco em estufa a 120°C por 24h, triturado e armazenado em dessecador. Tabela 2. Proporções molares teóricas entre os elementos Ca2+ e Sr2+ nas sínteses das apatitas em presença de cloreto e nitrato. Nomenclatura. Razão Sr2+/(Sr2+ + 2+. Ca ). Síntese em presença. Síntese em presença. de Na+/Cl-. de NH4+/NO3-. 0,0. Sr-HACl – 0%. Sr-HAN – 0%. 0,2. Sr-HACl – 20%. Sr-HAN – 20%. 0,4. Sr-HACl – 40%. Sr-HAN – 40%. 0,6. Sr-HACl – 60%. Sr-HAN – 60%. 0,8. Sr-HACl – 80%. Sr-HAN – 80%. 1,0. Sr-HACl – 100%. Sr-HAN – 100%. Como apresentado no capitulo II dessa dissertação, os íons Cl- e Na+ são conhecidos por serem facilmente incorporados à estrutura de apatitas (FEKI et al., 2000; KANNAN et al., 2006b) e foram empregados nessa síntese de modo a se avaliar os seus efeitos sobre a estabilidade físico-química e estrutural das apatitas obtidas. 37.

(38) As sínteses foram realizadas em triplicata em experimentos independentes de forma a se avaliar a reprodutibilidade do método. 4.1.2 Síntese em presença de NH4+/NO3Para avaliar propriamente o efeito dos íons Cl- e Na+ nas propriedades finais das apatitas obtidas, foi proposta a síntese de um material controle onde fossem usados íons que não são facilmente incorporados à estrutura das apatitas. Nesse sentido, o mesmo procedimento de síntese descrito no item 4.1.1 foi repetido substituindo-se os cloretos de Ca2+ e Sr2+ por nitratos (Tabela 2). Os nitratos são solúveis e os seus íons remanescentes podem ser retirados facilmente do meio reacional. Além disso, o pH foi mantido constante em 10,0 durante toda a síntese com a adição de NH4OH ao invés de NaOH. Igualmente, o íon NH4+ não é facilmente incorporado à estrutura e também é facilmente eliminado durante tratamentos térmicos (calcinação) em baixas temperaturas. As sínteses foram igualmente realizadas em reator sem controle de atmosfera. O precipitado obtido foi envelhecido por 24h, filtrado, lavado com água destilada para a eliminação dos precursores remanescentes na forma de íons solúveis, seco em estufa a 120°C por 24h, triturado e armazenado em dessecador.. 4.2 COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS APATITAS. 4.2.1 Análise Elementar As composições elementares das apatitas foram definidas pelo uso de espectroscopia de fluorescência de raios X (FRX) num espectrofotômetro BRUKER (S8 TINGER). As análises foram realizadas com o feixe de raios X gerado a 40 kV e 10 mA, sob vácuo, usando-se o pó prensado das amostras sem a adição de aditivos. As proporções molares dos elementos identificados foram calculadas para cada amostra e normalizadas pelo total de elementos. As análises foram realizadas para cada amostra das três diferentes sínteses. 4.2.2 Evolução dos grupamentos PO43-, CO32- e OH- nas estruturas apatíticas Todas as sínteses foram conduzidas sem controle de atmosfera, o que resulta na entrada inerente do CO2 sob a forma de CO32- nas apatitas. Como o CO32- pode entrar em substituições aos grupamentos PO43- e OH- das apatitas, as análises de espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) foram realizadas 38.

(39) para avaliar a evolução desses grupamentos nos materiais sintetizados. Para isso, foi usado um espectrômetro Perkin-Elmer 1720X, operando na faixa de 4000 a 400 cm-1 com passo de 1 cm-1 no modo transmitância em pastilhas de KBr.. 4.3 ESTABILIDADE TÉRMICA DAS APATITAS. 4.3.1 Análise Térmica A avaliação da estabilidade térmica das amostras foi estudada por termogravimetria e análise térmica diferencial (TGA/DTA). As análises de TGA/DTA foram realizadas em um equipamento modelo STA 449 F3 Jupiter, numa faixa de temperatura de 30°C-1200°C, a uma taxa de aquecimento de 10°C/min, em atmosfera de N2 com fluxo de 50 mL/min (correção de N2), utilizando uma massa de cerca de 65 mg para todas as amostras sintetizadas. Sabe-se que a saída de CO32- estrutural em apatitas sob a forma de CO2 ocorre numa faixa que vai de 700 a 1000°C. Nessa temperatura, componentes voláteis, tais como, compostos nitrogenados e água, já foram totalmente eliminados da estrutura (KANNAN et al., 2008b; TÕNSUAADU et al., 2012). Assim, a quantidade de CO32eliminada da estrutura das apatitas foi estimada indiretamente pelos eventos de perda de massa ocorridos nessa faixa de temperatura, para a saída do CO2, conforme a equação 1.. (1). onde:. é a quantidade de CO2 eliminada da estrutura das apatitas (mol CO2/g HA),. é a diferença de massa associada a perda do CO32- na região de 700 a 1000°C, mHA é a massa de apatita utilizada na análise e. é o peso molecular do CO2.. 4.3.2 Tratamento Térmico (calcinação) Grande parte das apatitas usadas para fins biológicos necessitam de tratamentos térmicos para a finalização do produto a ser comercializado (dispositivos densos, porosas, enxertos com diferentes granulometrias, etc). Portanto, é imprescindível estudos sobre as transformações físico-químicas e estruturais induzidas termicamente nesses materiais para se previr as características finais do produto obtido. Nesse sentido, 39.

(40) os pós sintetizados nesse trabalho foram submetidos a um tratamento térmico para se verificar a indução de possíveis transformações de fase, decomposição ou modificações de cristalinidade. As amostras foram colocadas em cadinhos de alumina individuais e aquecidas até 1000°C/2h, em forno Mufla, sob uma taxa de aquecimento de 2,8°C/min. Os pós calcinados foram armazenados em dessecador. As transformações físicoquímicas ocorridas foram acompanhadas por análises de FTIR e DRX.. 4.4 ESTRUTURA DAS APATITAS. 4.4.1 Análises de difração de raios X A estrutura cristalina das apatitas foi analisada através da técnica de difração de raios X (DRX). Este método fornece informações sobre grau de cristalinidade, parâmetros de rede, tamanho de cristalito e esfericidade dos cristais, importantes no estudo do efeitos dos elementos dopantes sobre a estabilização estrutural dessas apatitas. O pó das amostras sintetizadas (antes e após calcinação) foi submetido a análises de DRX em um difratômetro SHIMADZU modelo XRD 6000. Os difratogramas foram obtidos no modo step scan, variando 2θ de 10º a 60º e utilizando um passo de 0,02º com tempo de aquisição de 2s por ponto. As fases cristalinas foram identificadas utilizando como referência os padrões descritos no JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standards): . Apatita de cálcio (HA, Ca5(PO4)3OH) nº 9-432;. . Fosfato de cálcio-estrôncio (Ca8Sr2(PO4)6OH2) n° 034-0483;. . Fosfato de cálcio-estrôncio (Ca6Sr4(PO4)6OH2) n° 034-0480;. . Fosfato de cálcio-estrôncio (Ca4Sr6(PO4)6OH2) n° 034-0481;. . Fosfato de cálcio-estrôncio (Ca2Sr8(PO4)6OH2) n°034-0477;. . Apatita de estrôncio (Sr-HA, Sr5(PO4)3OH) nº 33-1348;. . Fosfato tricálcico - β (β-TCP, Ca3(PO4)2) nº 9-169;. . Fosfato de estrôncio (Sr3(PO4)2) n° 14-0271;. . Óxido de cálcio (CaO) n° 37-1497.. 4.4.2 Determinação dos parâmetros de rede. 40.

(41) Os parâmetros de rede e o volume da célula unitária foram calculados utilizando a relação entre as distâncias entre os planos (0 0 2) e (0 0 3), conforme a equação 2 (WEBSTER et al., 2004):. (. ). Sendo que d é a distância entre os planos adjacentes que definem os índices de Miller (h k l). Para o cálculo do volume das células unitárias, considerou-se os parâmetros de rede a e c, conforme a equação 3:. 4.4.3 Tamanho de cristalito O tamanho do cristalito das apatitas estudadas foi estimado, segundo o método Scherrer. Este estudo foi realizado com a finalidade de se estimar as variações de tamanho de cristalito em função das composições das amostras obtidas. Para isso, admitiu-se que todas as partículas possuíam uma morfologia esférica (fator de forma igual a 0,89) (Equação 4):. onde λ = 1,54056 Å, e corresponde ao comprimento de onda dos raios X usados; βhkl = B(hkl) – β(LaB6). Sendo que β(LaB6) corresponde a largura a meia altura do pico principal do padrão LaB6 sob as mesmas condições da amostra, B(hkl) corresponde a largura a meia altura (FWHW) do pico correspondente ao plano (0 0 2) da HA e θ é o ângulo relativo ao pico correspondente ao plano (0 0 2). O pico de difração correspondente ao plano (0 0 2) foi escolhido por encontrar-se isolado nos difratogramas.. 4.4.5 Esfericidade dos cristais Uma estimativa sobre a esfericidade dos cristais foi calculada através da razão entre a intensidade máxima dos picos correspondentes aos planos perpendiculares (0 0 2) e (3 0 0), conforme a equação 5. 41.

(42) Admitindo-se que para uma HA pura e calcinada a razão entre as intensidades medidas para os picos relativos aos planos (0 0 2) e (3 0 0) é 0,67, e que a calcinação leva a formação de partículas esféricas, pode-se dizer que valores de E maiores que 0,67 indicam uma elongação dos cristais na direção [0 0 1]. Em contrapartida, valores menores que 0,67, indicam uma elongação dos cristais na direção [1 0 0] (HONG et al., 2007; DOS SANTOS et al., 2010).. 42.

(43) CAPÍTULO V. RESULTADOS. 43.