SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE UMA MATRIZ ÓSSEA DE
FOSFATO DE CÁLCIO NANOESTRUTURADO PARA APLICAÇÕES
BIOMÉDICAS.
De Oliveira, D.M.P., Camargo, N.H.A., Gemelli, E.
Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC), Centro de Ciências Tecnológicas (CCT),
Campus Universitário Prof. Avelino Marcante S/N - Bairro Bom Retiro - Joinville - SC – Brasil
CEP: 89223 - 100 - CX. Postal 631 - Fone (0xx47) 431-7200 Fax (0xx47) 431-7240
e-mail: [email protected] , [email protected]
Resumo. Os defeitos ósseos são resultados de uma variedade de causas que incluem traumas, infecções,
tumores e deformações congênitas, estes são fenômenos comuns em clínicas ortopédicas e odontológicas. No
decorrer dos últimos anos, observou-se que as cerâmicas nanoestruturadas vêm se destacando como matriz
óssea na reconstituição e na regeneração de tecidos duros. As biocerâmicas nanoestruturadas e microporosas
em fosfato de cálcio têm tomado um espaço importante em aplicações clínicas ortopédicas e odontológicas, em
razão de suas boas características mineralógicas e de biocompatíbilidade. Este trabalho se concentrou na
otimização do método de síntese de pós nanoestruturados de fosfato de cálcio e na caracterização morfológica,
mineralógica e do comportamento térmico.
Palavras-chave: Fosfato de Cálcio, Nanoestrutura, Síntese, Caracterização.
1. INTRODUÇÃO
As investigações sobre a obtenção de pós nanoestruturados em fosfato de cálcio e
hidroxiapatita vêm crescendo ultimamente. Isto se deve as novas características que estes vêm
oferecendo, como, área superficial elevada, tamanho de partículas inferior a 200nm,
morfologia com forma equi-axiais, além da boa absorção em meio biológico [DELIMA,
2007; CAMARGO, 2006; KUMTA, 2005, BELLINI, 2004; KARVAT, 2004, YEONG, 2000,
YOSHICO, 1993]. As cerâmicas nanoestruturadas e microporosas à base de fosfato de cálcio
apresentam característica mineralógica e cristalográfica semelhantes à do esqueleto humano,
apresentam boa biocompatibilidade e vêm sendo estudadas com destaque, em aplicações
biomédicas, na regeneração e constituição de tecidos duros [DACULSI, 1998; RAYNAUD,
2002; CAMARGO, 2003]. Diferentes métodos de sínteses vêm sendo utilizados na produção
de pós nanoestruturados de fosfato de cálcio e hidroxiapatita, sempre na tentativa de obter
nanopartículas com tamanhos inferiores a 200nm. Esta é a condição necessária para obtenção
de pós nanoestruturados com valor de área superficial elevada, sendo este fator importante em
aplicações biológicas, na regeneração e reconstituição do tecido ósseo. O método via úmida
sólido/liquido, pelo processo de dissolução precipitação vem sendo um dos mais utilizados na
síntese de pós nanoestruturados de fosfatos de cálcio, isto se deve, por este método permitir a
obtenção de pós nanoestruturados com controle da morfologia [CUNHA, 2006].
Este trabalho teve como objetivo a otimização do processo de síntese e caracterização de
pós nanoestruturados de fosfato de cálcio pelo método via úmida, através da reação de
dissolução-precipitação do CaO pela adição da solução de ácido fosfórico a suspensão
coloidal. Os resultados apresentados estão relacionados aos estudos de caracterização
morfológica, mineralógica e do comportamento térmico.
2.
MATERIAIS E MÉTODOS
Utilizou-se o método via úmida para síntese dos pós nanoestruturados de fosfato de cálcio,
pela reação de dissolução-precipitação, envolvendo fase sólida/líquida de CaO e ácido
fosfórico, numa razão molar Ca/P = 1,67. Sendo as matérias primas utilizadas o pó de óxido
de cálcio (CaO) obtido da calcinação a 900ºC por 2 horas do CaCO3, fornecido pelo
laboratório CINÉTICA Reagentes e Soluções, com pureza de 98%, lote nº 12.732, e o óxido
de fósforo (P2O5), fornecido pelo laboratório Sigma-Aldrich com pureza de 97%, lote nº
10206209. A síntese do pó nanoestruturado de fosfato de cálcio foi realizada utilizando água
deionizada com pH = 7. A solução aquosa foi colocada sob agitação mecânica e
posteriormente adicionou-se lentamente o óxido de cálcio (CaO), realizando-se medidas do
valor do pH a cada 15 minutos. Ao final da incorporação do CaO na solução aquosa,
verificou-se um aumento do valor do pH de 7 para 11,50. Esta suspensão permaneceu por 2
horas sob agitação mecânica. A seguir, acrescentou-se lentamente a solução ácida por
gotejamento ao colóide, em uma concentração necessária para formação da composição Ca/P
= 1,67 molar. Após a incorporação da solução ácida, iniciou-se a formação de precipitados de
fosfato de cálcio hidratados, constando-se uma diminuição do valor do pH. O colóide
permaneceu sob agitação mecânica durante 24 horas, a fim de se obter uma melhor
homogeneização dos precipitados de fosfato de cálcio. Logo após, a suspensão coloidal foi
introduzida dentro de um balão tipo pêra e acoplado a um evaporador rotativo, para
eliminação do solvente. O pó nanoestruturado recuperado do evaporador rotativo passou pelo
processo de moagem e peneiramento na malha # 140μm ABNT. O pó nanoestruturado obtido
do peneiramento foi calcinado a temperatura de 900°C/2h. E com interesse de observar a
cinética de coalescência dos cristalitos elementares do fosfato de cálcio, realizou-se
tratamento térmico as temperaturas de 1000°C/1h, 1100°C/1h, 1200°C/1h e 1300°C/30 min.
Os estudos de caracterização foram realizados pela técnica de microscopia eletrônica de
varredura, através do sistema de elétrons secundários (SE), para identificação morfológica dos
pós nanoestruturados submetidos as diferentes condições de tratamentos térmicos. As
amostras foram preparadas cuidadosamente, utilizou-se um porta amostra na forma de disco
em liga de alumínio com superfície lisa, uma fita de carbono dupla face foi fixada na
superfície lisa do disco, onde foi realizada a deposição da amostra em forma de pó, sendo esta
quantidade de pó depositada muito pequena, com o intuito de evitar os efeitos de carga
gerados pelo feixe eletrônico durante as observações. E para evitar os efeitos de carga dentro
da câmara do microscópio, todas as amostras forma submetidas ao processo de metalização
por sputering, com deposição de um filme de ouro sobre a superfície do pó cerâmico. Para
realização desta deposição utilizou-se um metalizador marca Bal-Tec modelo SCD 050
Sputter Coater, sendo os parâmetros de deposição iônica estabelecidos da seguinte forma,
temperatura na câmara de metalização de 23°C, corrente de 40mA, tensão de 2KV e tempo de
deposição de 120segundos, fornecendo um filme de ouro na superfície das partículas da
ordem de 32nm. A difratometria de raios X serviu de apoio para caracterização mineralógica,
sendo o equipamento SHIMADZU modelo XRD_6000, com anticatodo tudo de cobre, o
utilizado para obtenção dos difratogramas. Utilizou-se uma tensão de 40 kv, intensidade de
corrente de 30mA e intervalo angular de varredura de 5° a 80°, com velocidade do
goniômetro de 2º/min em função de 2θ para todas as amostras recolhidas durante o processo.
O método de calorimetria exploratória diferencial (DSC) e termogravimétrica (TG) foram
utilizados para o estudo do comportamento térmico. Foram realizados em um equipamento da
marca NETZSCH modelo Júpiter STA 449 C, com sensibilidade de 1,00000 μV/mW. Os
ensaios foram realizados utilizando-se aproximadamente 23mg de pó para cada ensaio. As
condições de ensaio para estes métodos de DSC e TG foram as seguintes: velocidade de
aquecimento das amostras de 10ºC/min até a temperatura de 1400ºC, e atmosfera inerte de gás
nitrogênio com fluxo de 70ml/min.
3.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os resultados obtidos do monitoramento do pH evidenciaram inicialmente uma elevação
do valor do pH pela dissolução do CaO na solução aquosa, chegando a um valor próximo de
11,50 como mostra a “Fig. 1”.
Monitoramento do PH da solução coloidal de Ca/P
12
11,5
PH
11
10,5
10
9,5
0:
0
1: 0
00
2:
0
3: 0
00
4:
0
4: 0
45
5:
1
5: 5
45
6:
1
7: 5
15
8:
1
9: 5
1
10 5
:
11 15
:
12 15
:
13 15
:1
14 5
:
15 15
:
16 15
:1
17 5
:
18 15
:
19 15
:
20 15
:1
21 5
:
22 15
:
22 15
:4
23 5
:1
5
9
Horas
Figura 1: Ilustrando valores das medidas do pH em função do tempo.
Outra observação foi à diminuição lenta deste valor durante a incorporação da solução de
ácido fosfórico ao colóide de fosfato de cálcio. Observando a curva da “Fig.1”, constata-se
que durante as primeiras quatro horas não ocorreram mudanças significativas no valor do pH.
Contudo ao final do gotejamento da solução de pentóxido de fósforo, ocorreu uma queda
brusca deste valor na ordem de 9,30 e estabilizando aproximadamente após oito horas com
valor do pH = 9,49.
Os resultados encontrados pela difratometria de Raios X sob o pó retirado do evaporador,
evidenciaram a presença da fase de fosfato de cálcio hidratado semi-amorfo na composição
Ca3(PO4)2.H2O (Ficha nº 18-0303), ver “Fig. 2”.
Figura 2: Difratogramas de Raios X obtidos sobre o pó da matriz óssea de fosfato de cálcio
após secagem no evaporador rotativo.
Para o pó nanoestruturado obtido da calcinação encontrou-se em seu difratograma os
picos das fases hidroxiapatita na composição Ca10(PO4)6(OH)2 (Ficha nº 74-0565) e
trifofosfato de cálcio-ß na composição Ca3(PO4)2 - ß (Ficha nº 9-0169), ver “Fig. 3”.
Figura 3: Difratogramas de Raios X obtidos sobre o pó da matriz óssea de fosfato de cálcio,
após calcinação a 900°C/2h.
Já para o pó obtido do tratamento térmico a 1000°C/1h, observou-se em seu difratograma
de raios X as mesmas fases já encontradas para o pó calcinado a 900°C, ou seja,
hidroxiapatita e trifosafato cálcio-β, ver “Fig.4”.
Figura 4: Difratogramas de Raios X obtido do pó da matriz óssea de fosfato de cálcio,
após tratamento térmico a 1000°C/1h.
E para o pó obtido do tratamento as temperaturas de 1100°C/1h, 1200°C/1h e
1300°C/30min, observou-se em seus difratogramas de raios X somente a fase trifosfato
cálcio-ß, ver “Fig.5”.
Figura 5: Difratogramas de Raios X obtido do pó da matriz óssea de fosfato de cálcio,
após tratamento a 1100°C/1h, 1200°C/1h e 1300°C/30min (b).
Os resultados obtidos do estudo do comportamento térmico pelas técnicas de análise por
calorimetria exploratória diferencial (DSC) e termogravimetria (TG), para o pó
nanoestruturado recuperado do evaporador, revelaram na curva da TG (Curva a) uma perda
de massa continua de 25ºC até aproximadamente 780°C, ver “Fig. 6”.
Curva a
Curva b
Figura 6: Ilustrando as Curvas da termogravimetria (TG)/(Curva a), e da análise por
calorimetria exploratória diferencial (DSC)/(Curva b), obtidas dos pós retirados do
evaporador rotativo.
Analisando a curva DSC (Curva b), ver “Fig. 6”, observou-se a aproximadamente 80°C
um pico endotérmico, indicando a perda de água sem modificação da estrutura do pó
nanoestruturado. Constatou-se também em torno de 461°C uma leve elevação da curva DSC
revelando a ocorrência de da modificação da estrutura do pó nanoestruturado. Verificou-se
próximo a temperatura de 833°C um pequeno pico exotérmico indicando a transformação da
fase de hidroxiapatita. Outro pico exotérmico também foi observado em torno 1131°C
indicando formação da fase do TCP-ß, conforme já observado nos difratogramas de raios X.
Os resultados do estudo de dilatometria vieram complementar os resultados de análise já
obtidos por TG, DSC e Raio-X. A curva representada pela “Fig. 7” mostra o comportamento
térmico do pó obtido do evaporador. Constatou-se sobre a curva, aproximadamente a
temperatura de 160°C, uma pequena perda de massa, indicando a liberação de água sem
modificação da estrutura do pó nanoestruturado, caso já observado na curva de DSC. A partir
de aproximadamente 780°C até a temperatura até 1100°C observou-se a máxima de retração
linear do pó nanoestruturado ocorrida pela transformação de fase, a partir da temperatura de
1100ºC, observa-se claramente o inicio da sinterabilidade do pó nanoestruturado. A curva de
dilatometria obtida sobre todos os pós calcinados representada pela “Fig. 8”, demonstrou
haver uma maior retração linear entre as temperaturas 820°C até próximo de 1120°C,
indicando a transformação de fase do trifosfato de cálcio-β, caso já observado nos
difratogramas de raios X.
Figura 7: Curva de dilatometria dos pós obtidos da secagem do evaporador rotativo.
Figura 8: Curva de dilatometria dos pós obtidos da calcinação a 900°C/2h.
Para o caso dos pós obtidos do tratamento térmico a 1000ºC/1h, observou nas curvas de
dilatometria, “Fig. 9”, certa semelhança se comparado com a curva do pó obtido da calcinação
a temperatura de 900ºC/2h, constatando-se a máxima retração linear entre 840°C e 1160°C, o
que indica a transformação de fase. Para o pó tratado a 1100°C/1h, “Fig. 10”, observou-se a
maior retração linear entre as temperaturas de 1100°C até 1230°C, mostrando a transformação
de fase do TCP-β. Já para os pós tratados a 1200/1h e 1300/30min, “Fig. 11” e “Fig. 12”,
observou-se o mesmo comportamento das curvas de dilatometria, constatando um retração
mínima se comparado com as curvas dos pós tratados as temperaturas de 1000°C, 1100°C,
isto pode ser explicado pelo tamanho das partículas elementares do pó de trifosfato de cálcioβ (TCP-β) e por não haver transformação de fase.
9)
10)
11)
12)
Figuras 9, 10, 11 e 12: Curva de dilatometria dos pós obtidos dos diferenciados tratamentos
térmicos. Pós tratados a 1000°C por 1hora(Fig.9) – a 1100°C por 1 hora(Fig.10) – a 1200°C
por 1 hora(Fig.11) e a 1300°C por 30 minutos(Fig.12).
A técnica de microscopia eletrônica de varredura (MEV) serviu de apoio nos estudos de
caracterização da morfologia dos pós nanoestruturados obtidos da secagem do evaporador,
dos calcinados a 900°C/2h e dos pós resultantes dos tratamentos térmicos 1000°C/1h,
1100°C/1h, 1200°C/1h e 1300°C/30min.
13)
14)
Figuras 13 e 14: Ilustrando a morfologia da matriz óssea obtida da secagem (Fig.13), e
morfologia da matriz óssea calcinada a 900°C/2h (Fig. 14).
O resultado do estudo para o pó obtido da secagem em evaporador rotativo revelou uma
morfologia formada por finas partículas nanométricas aglomeradas com d < 150nm, “Fig.13”.
Para o pó obtido da calcinação a 900°C/2h, observou a coalescência dos cristalitos
elementares do fosfato de cálcio, ilustrado na “Fig. 14”.
Para o pó obtido do tratamento térmico nas diferentes temperaturas “Fig.15, Fig.16,
Fig.17 e Fig.18”, observou-se claramente que o aumento da temperatura favorece a
coalescência dos cristais elementares do fosfato de cálcio. No entanto, para o caso do pó
tratado a 1300°C/30min, observou-se uma morfologia dos cristais elementares levemente
inferior aos do pó tratado a 1200°C/1h, isto quer dizer que o tempo de tratamento térmico é
uma variável relevante em estudos termodinâmicos, onde envolve germinação e cristalização
de fases.
15)
16)
17)
18)
Figuras 15, 16, 17 e 18: Ilustrando a morfologia dos pós obtidos dos diferenciados
tratamentos térmicos. Tratado a 1000°C por 1 hora (Fig.15); tratado a 1100°C por 1 hora
(Fig.16); tratado a 1200°C por 1 hora (Fig.17); e tratado a 1300°C por 30 minutos (Fig.18).
4.
CONCLUSÃO
Os resultados obtidos indicaram que o método de síntese utilizado permitiu a obtenção de
pós formados por finas partículas nanométricas aglomeradas. Os pós biocerâmicos obtidos da
calcinação a 900°C/2h, apresentaram morfologia formada por finas partículas nanométricas
aglomeradas. Para o caso dos pós tratados termicamente observou-se a coalescência dos
cristais elementares. Os resultados obtidos da difração de raios-X, evidenciaram em seus
difratogramas a presença das fases trifosfato cálcio-β, e hidroxiapatita, com a fase trifosfato
cálcio-β predominante. A análise térmica evidenciou as temperaturas de formação de fase e
máxima retração linear dos pós nanoestruturados.
AGRADECIMENTOS
A FINEP, pelo apoio através dos equipamentos obtidos pelo projeto referente ao edital
CT-INFRA/Institucional FINEP/01/2001.
Ao CCT/UDESC-Joinville, pela infra-estrutura laboratorial.
REFERÊNCIAS
Bellini, O.J., Camargo, N.H.A., Tomiyama, M., Folgueras, M.V., Kavart, F., Soares, C., Pontes, L.V., Silva,
R.F., Gemelli, E.; “Síntese e Caracterização de vidros bioativos nanocompósitos com matriz de fosfato de
cálcio” – SULMAT 2004, Setembro 2004.
Camargo, N.H.A., Chellat, F., Fernandes, J., Folgueras, M.V., Gemelli, E., Yahia, L.H., “Estudo do
Comportamento de Culturas de Osteoblastos Numa Matriz Cerâmica de Fosfato de Cálcio pela Técnica de
Microscopia Eletrônica de Varredura”, In: anais do VII Congresso Brasileiro de Física Médica, pp. 568-576,
Porto Alegre RS, 2003.
Camargo, H.H.A., Soares, C., Gemelli, E., “Elabotation and Characterization of Nanostructured Biocements for
Biomedical Applications”. In: IV Congresso Latino Americano de Órgãos Artificiais e Biomateriais, 2006,
Caxambu – MG. COLAOB’2006, 2006. v. 1. p. 1-11.
Cunha, S.M., Lazar, D.R.R., Ussui, V., Fancio, E., De Lima, N.B., Bressiani, A.H.A.; “Sinterabilidade e Dureza
de Cerâmica a Base de Fosfato de Cálcio Sinterizados por Precipitação Homogenia” – Anais do 50°
Congresso Brasilerio de Cerâmica,maio 2006.
Daculsi, G., “Biphasic Calcium Phosphate Concept Applied to Artificial Bone, Implant Coating and Injectable
Bone Substitute”, Biomaterials, vol. 19, pp. 1473-1478, 1998.
De Lima, S.A., Camargo, N.H.A., Aguiar, J.F., Gemelli, E., Tomiyama, M.; “Síntese e Caracterização de Pós de
Fosfato de Cálcio e Compósitos Fosfato de Cálcio/Al2O3-α Nanoestruturado” – 510 Congesso Brasileiro de
Cerâmico, Salvador-BA, 2007.
Kavart, F., Camargo, H.H.A., Soares, C., Bellini, O.J., Silva, R.F., Tomiyama, M., Folgueras, M.V., Gemelli, E.;
“Elaboração e caracterização de um biomaterial compósito á partir de uma matriz de fosfato de
cálcio/Al2O3-α para aplicação como implante e restituição óssea” – SULMAT 2004, Setembro 2004.
Kumta, P.N., Sfeir, C., Lee, D., Olton, D. e Choi, D. (2005), “Nanostructured calcium phosphates for biomedical
applications:novel synthesis and characterization”, Acta Biomatarialia, 1, 65-83.
Raynaud, S., Champion, E., Bernache-Assollant, D., Thomas, P., “Calcium Phosphate Apatites With Variable
Ca/P Atomic Ratio I. Synthesis, Characterization and Thermal Stability of Powders”, Biomaterials, vol. 23,
pp. 1065 – 1072, 2002.
Yeong, K.C.B., Wang, J.N.G., S. C.,; “Mechanochemical synthesis of nanocrystalline hydroxyapatite from CaO
and CaHPO4” – Biomaterials 22 (2001), p. 2705-2712, Julho 2000.
Yoshico, S., Banno, H., Mizuno, M., Saito, H., “Sintesis of compositional regulated hydroxyapatite from
Ca(OH)2 and H3PO4”. Journal of the Ceramic Society of Japan, int. Edition, v. 101, p. 642-647, 1993
SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION A BONY MATRIX OF
NANOSTRUCTURED PHOSPHATE CALCIUM FOR BIOMEDICAL
APPLICATIONS.
DE OLIVEIRA, D.M.P., CAMARGO, N.H.A., GEMELLI, E.
Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC), Centro de Ciências Tecnológicas (CCT),
Campus Universitário Prof. Avelino Marcante S/N - Bairro Bom Retiro - Joinville - SC – Brasil
CEP: 89223 - 100 - CX. Postal 631 - Fone (0xx47) 431-7200 Fax (0xx47) 431-7240
e-mail:[email protected], [email protected]
Abstract. The bones defects are a result of large causes including breakdowns, infections,
tumors and congenital degenerations known as currently pheromones in orthopedic clinics. In
the recent years the nanostructured ceramics are pointed out as an outstanding material in
reconstruction and regeneration to thoughtless tissue. The nanostructured and microporous
bioceramics obtained from calcium phosphate have taken an important place in orthopedic
clinic applications due to its good mineralogical and biocompatibility characteristics. This
work concentrated on the optimization the method of synthesis the powders phosphate of
calcium nanostructured and characterization morphologic, mineralogical, of the thermal
behavior.
Palavras-chave: Phosphate Calcium,, Nanostructured, Synthesi, Characterization.