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CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTADUAL DA ZONA OESTE
COLEGIADO DE CIÊNCIAS BIOLOGICAS E DA SAÚDE
CURSO DE GRADUAÇÃO EM FARMÁCIA
SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DA HIDROXIAPATITA,
UMA REVISÃO DA LITERATURA
Tarcila Soares Oliveira de Souza
Rio de Janeiro
2012
TARCILA SOARES OLIVEIRA DE SOUZA
Discente do curso de Farmácia Matrícula n.° 0823800005
SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DA HIDROXIAPATITA,
UMA REVISÃO DA LITERATURA
Trabalho de Conclusão de Curso, TCCII,
apresentado ao Curso de Graduação em
Farmácia da UEZO como parte dos requisitos
para a obtenção do grau de Farmacêutica, sob a
orientação do professor Leandro Medeiros Motta.
Rio de Janeiro
Julho de 2012
iii
SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DA HIDROXIAPATITA,
UMA REVISÃO DA LITERATURA
Elaborado por Tarcila Soares Oliveira de Souza
Discente do Curso de Farmácia da UEZO
Este trabalho de graduação foi analisado e aprovado com grau:..............
Rio de Janeiro, ...........................................................
_________________________________________
Prof. Leandro Medeiros Motta, Doutor (orientador)
__________________________________________
Profa. Adriana Passos Oliveira, Doutora
__________________________________________
Prof. Daniel Escorsim Macahdo, Doutor
_____________________________________
Prof. Marco Antonio Mota da Silva Doutor (Suplente)
Julho de 2012
iv
Ao meu mestre e Senhor, Deus. Aos responsáveis por eu ter chegado até aqui, meu pai Isaias Lima e minha mãe Lucilene Soares e minha
conselheira e irmã, Talita Soares.
v
RESUMO
A Hidroxiapatite (HA) tem sido amplamente utilizada como uma cerâmica
biocompatível em muitas áreas da medicina, mas principalmente para o contato
com o tecido ósseo. A HA sintética é conhecida por ser semelhante a HA
natural,com base na cristalografia e estudos químicos. Várias metodologias têm
sido investigadas e desenvolvidas para a síntese de HA. Em função da alta
complexidade e diversificação na química dos fosfatos de cálcio, pode-se
facilmente modificar as características do material variando-se o método utilizado
na sua preparação. Por isso, a escolha e o controle da metodologia adotada no
preparo do material são fundamentais para cada aplicação do produto final. Esta
revisão apresenta alguns dos mais bem conhecidos métodos de obtenção de
nanopós de hidroxiapatita, técnica de precipitação,técnica hidrotérmica, reação
sol-gel e reação de estado sólido e as características peculiares dos pós para
cada metodologia, tais como, cristalinidade, morfologia do pó, estequiometria e
qualidade do pó.
Palavras-Chave: Hidroxiapatita, Técnica de precipitação, Técnica
Hidrotérmica, Reação Sol-Gel, Reação de Estado Sólido.
vi
ABSTRACT
The hydroxyapatite (HA) has been widely used as a biocompatible ceramic
in many areas of Medicine, but especially for contact with the bone tissue. The
synthetic HA is known for being similar to the natural HA, based on
crystallographic and chemical studies. Several methods have been investigated
and developed for the synthesis of HA. Due to the high complexity and diversity in
the chemistry of calcium phosphates, the characteristics of the material can easily
be modified varieting the method used in their preparation. Therefore, the choice
and control of the methodology used to prepare the material are essential to each
application of the final product. This review presents some of the best known
methods of obtaining nanopowders hydroxyapatite technique, precipitation
technique, hydrothermal technique, sol-gel reaction and solid state reaction and
the peculiar characteristics of powders for each methodology, such as crystallinity,
powder morphology, stoichiometry and quality of the powder.
Keywords: Hydroxyapatite, Precipitation Technique, Hydrothermal Technique,
Sol-Gel Reaction, Solid State Reaction.
vii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Sistema de canais Harvers e Volkman.................................................16
Figura 2. Estrutura célula unitária da Hidroxiapatita ............................................17
Figura 3. Padrões de difracção de raio-X da HA tratada a diferentes
temperaturas..........................................................................................................23
Figura 4. Espectro de FTIR da HA........................................................................24
Figura 5. DRX dos pós de HA...............................................................................25
Figura 6. Micrografias de MEV de pós de HA.......................................................26
Figura 7. Padrão de EDS da HA...........................................................................27
Figura 8. MEV da hidroxiapatita............................................................................28
Figura 9. Padrão de Difração das amostras de HÁ...............................................28
viii
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
DRX - Difração de Raios X
EDS - Espectroscopia de Energia Dispersiva
FT-IR - Espectroscopia Vibracional no Infravermelho por Transformada de Fourier
HA – Hidroxiapatita
ICDD - The International Centre for Diffraction Data
MEV – Microscopia Eletrônica De Varredura
SEM - Microscopia Eletrônica de Varredura
ix
AGRADECIMENTO
Primeiramente a Deus, por ter me dado forças e sabedoria para concluir este
trabalho e por ter posto pessoas maravilhosas no meu caminho, que
independente de me ajudarem de forma direta ou indireta, foram de grande
importância para mim ao longo desta árdua jornada.
Aos meus pai, Isaias e Lucilene, por ter suprido todas as minhas
necessidades, tanto emocionais quanto materiais. O apoio e incentivo foram de
extrema importância para que concluísse mais esta etapa. Agradeço ao
companheirismo e incentivo da minha irmã Talita.
As minhas avós, tios e primos que sempre me deram apoio ao longo de toda a
trajetória, torcendo para que eu conquistasse mais esta vitória.
Ao meu orientador, Prof. Leandro Medeiros Motta, por me orientar não apenas
na formação deste trabalho, mas também por me aconselhar em minha formação
acadêmica e nos desafios da minha futura vida profissional.
Aos meus colegas de turma, por terem proporcionado os momentos mais
divertidos e inusitados da minha graduação. E um agradecimento especial
aqueles que estiveram mais próximos, me incentivando, ensinando e
compartilhando momentos bons e ruins: Barbara Abranches, Bruno Barros,
Juliana Lopes, Marlon Akio, Kamilla Vieira, Paola Ameixoeira e Rosilane Moreth.
Aos professores que me auxiliaram nesta jornada do conhecimento, em
especial aos mais próximos, que de mestres se tornaram amigos: Profª
Alessandra Micherla, Profª Jamila Perini, Profª Joelma, Prof. Marco Antônio Motta,
Prof. Sérgio Seabra.
.
x
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................................... 8
2. OBJETIVO ........................................................................................................................................ 11
3. METODOLOGIA ............................................................................................................................... 12
4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................................................. 13
4.1. ESTRUTURA ÓSSEA .......................................................................................................................... 13
4.2. HIDROXIAPATITA ............................................................................................................................. 17
4.3. SÍNTESE DA NANOHIDROXIAPATITA ............................................................................................... 21
4.3.1. TIPOS DE SÍNTESE DA NANOHIDROXIAPATITA ............................................................................. 23
4.3.1.1REAÇÃO DE PRECIPITAÇÃO (COPRECIPITAÇÃO) ......................................................................... 23
4.3.1.2REAÇÃO HIDROTÉRMICA ............................................................................................................ 25
4.3.1.3 REAÇÃO SOL-GEL ....................................................................................................................... 27
4.3.1.4 REAÇÃO DE ESTADO SÓLIDO ..................................................................................................... 28
5. CONCLUSÃO .................................................................................................................................... 30
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................................. 31
8
1. INTRODUÇÃO
O aumento da expectativa de vida do homem, como conseqüência dos
avanços da medicina, da maior preocupação com a alimentação e do conforto
gerado pela assim denominada “vida moderna”, tem resultado no aumento da
população de idosos e, conseqüentemente, das doenças relacionadas à velhice.
Dentre os diversos males que afetam a estrutura óssea, a osteoporose e a perda
de massa óssea têm sido intensamente estudados devido a seus efeitos
devastadores na qualidade de vida das pessoas. Os problemas de estrutura
óssea não são apenas “doença de velhos”, eles também atingem indivíduos
jovens em sua fase mais produtiva, em decorrência de acidentes, notadamente os
automobilísticos e os de trabalho (KAWACHI, 2000).
O termo biomaterial que é definido como sendo um composto de natureza
sintética ou natural, utilizado por um período de tempo para melhorar, aumentar e
substituir, parcial ou inteiramente, tecidos ou órgãos (CAMPOS et al., 2005).
Estes tem tido aplicações na regeneração do tecido ósseo, como uma alternativa
aos enxertos ósseos, tem sido relevante, pois eles não danificam tecidos
saudáveis, não aumentam os riscos de contaminações virais e bacterianas, além
de serem disponibilizados comercialmente (WILLIAMS, 1987).Podem, ainda, ser
de fácil dissolução e absorção, ao mesmo tempo em que permitem e estimulam a
formação óssea (WAN et al., 2006; CHEN et al., 2009). Os biomateriais utilizados
como substitutos do tecido ósseo devem possuir características peculiares. Eles
devem ser biocompatíveis, biodegradáveis e osteocondutivos, proporcionando a
condução de osteoblastos ou de células precursoras de osteoblastos para o sítio
lesado e de fatores regulatórios que promovam esse recrutamento, assim como o
crescimento celular neste sítio (LIU et al; 2004; WAN et al, 2006; CHEN et al.,
2009). Além disso, precisam proporcionar uma estrutura adequada, que servirá de
suporte para a neoformação óssea (PRECHEUR, 2007).
9
As biocerâmicas têm merecido lugar de destaque entre os materiais com
aplicação biomédica, em especial para aplicações e implantes ósseos, pois existe
uma vasta gama de cerâmicas compatíveis com este tipo de aplicação. No que se
refere à utilização em implantes ósseos, as cerâmicas a base de fosfatos de
cálcio são as mais estudadas, por apresentarem uma alta biocompatibilidade,
ausência de toxicidade local ou sistêmica e uma capacidade de ligar-se ao tecido
hospedeiro (cerâmica bioativa) ou ser absorvido pelo tecido vivo (cerâmica
bioabsorvível) (HENCH et al., 1993). A boa biocompatibilidade destas cerâmicas
deve-se ao fato delas possuírem os mesmos constituintes básicos presentes da
fase mineral dos ossos, assim como o fósforo e o cálcio em sua maioria
(KAWACHI et al., 2000).
Nos últimos anos, entre as biocerâmicas, especialmente os compostos a base
de fosfato de cálcio denominada por apatita, particularmente a hidroxiapatita (HA)
sintética [Ca10(PO4)6(OH)2] tem sido amplamente empregadas nas áreas médicas
e odontológicas por apresentarem excelente biocompatibilidade proporcionada
pela sua similaridade química, biológica e cristalográfica com a fase mineral do
osso humano (YANG, 2002; HWANG,1999; VERCIK;2004). Uma propriedade
notável da HA sintética é sua bioatividade, em particular a habilidade para formar
ligação química com os tecidos duros vizinhos após a implantação (YANG, 2002).
A biocompatibilidade, bioatividade, osteocondutividade, dimensão, tamanho,
morfologia e funcionalização de superfície representam as propriedades físicas e
químicas, que devem ser adaptadas em cristais de HA sintética para otimizar
suas especificidades e aplicações biomédicas (ROVERI, 2010).
Ultimamente as pesquisa com biomateriais é focada em superar as limitações
dos fosfatos de cálcio, das cerâmica de HA, e na melhoria das suas propriedades
biológicas explorando as vantagens únicas da nanotecnologia. A tendência está
mudando em direção a nanotecnologia para melhorar as respostas biológicas da
HA, porque a nano-HA é semelhante, em relação dimensional, com os cristais
presente no osso (ROVERI, 2010).
10
Na literatura, vários métodos para preparar cristais de HAP têm sido relatados,
incluindo reações em estado sólido, crescimento de cristais sob condições
hidrotermais, sol-gel e precipitação.
Os pós de HA sintéticos podem ser amorfos ou policristalinos com vários
graus de cristalinidade de acordo com o seu preparo. Durante a sinterização, a
pressão e/ou a temperatura tende a dar um produto acabado de HA policristalina,
que varia em porosidade. Métodos de obtenção de pós de HA e de produtos
acabados de HA são descritos na literatura (PINCHUK, 2003).
De uma perspectiva de aplicação prática, adequados micromaterials ou nanos
com morfologias específicas não só precism ser capazes de serem sintetizado
em grandes quantidades como também possuirem composição desejada,
tamanho e estrutura reproduzíveis reproduzíveis ( Zhou H., 2011).
11
2. OBJETIVO
Este trabalho tem como objetivo revisar, algumas das várias rotas sintéticas
mais importantes da nanohidroxiapatita e sua influência sobre as propriedades
dos pós sintetizados, tais como cristalinidade, morfologia do pó, estequiometria,
qualidade do pó, entre outros.
12
3. METODOLOGIA
Esta revisão foi elaborada através do levantamento de dados encontrados na
literatura já existente. Foram realizadas buscas bibliográficas nas bases de dados:
ScienceDirect, Scielo e no Portal de Periódicos da Capes.
13
4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
4.1. ESTRUTURA ÓSSEA
O osso é o componente do sistema esquelético que está envolvido na
proteção do corpo, suporte e movimento. O osso é uma proteção e um local de
produção de tecidos especializados, como o processo de formação do sangue, ou
seja, a medula óssea. O coração, pulmões e outros órgãos e estruturas no toráx
são protegidos pela caixa torácica. A função destes órgãos envolvendo
movimento, expansão e contração requerem flexibilidade e elasticidade da caixa
torácica. O osso suporta a ação mecânica de tecido estruturalmente flexíveis,
como a contração dos músculos ou expansão dos pulmões. E finalmente é um
reservatório mineral, pelo qual os sistemas endócrino regulam o níveis de íons
cálcio e fosfato nos líquidos corporais circulantes (FLORENCE et al., 2006).
O processo pelo qual o tecido ósseo se desenvolve é denominado ossificação
ou osteogênese. Os ossos podem se originar de duas maneiras: no seio de uma
região condensada de natureza conjuntiva ou quando o tecido ósseo se forma
substituindo gradualmente um modelo cartilaginoso preexistente. Por suas
características, esses dois processos foram denominados, respectivamente,
ossificação intramembranosa e ossificação endocondral (LYNCH et al.,
1999;KATCHBURIAN et al., 2004).
O osso é um tipo especializado de tecido conjuntivo formado por células e
material extracelular calcificado, a matriz óssea (JUNQUEIRA, 2004). É composto
por uma fração inorgânica e outra orgânica. No osso maduro, a matriz orgânica
contém 85% de colágeno do tipo I, que atua como uma malha na qual minúsculos
cristais de hidroxiapatita são embutidos e o restante é composto de moléculas
não colágenas e líquido intersticial. A fração inorgânica ou não proteica
representa cerca de 50% do peso da matriz óssea, sendo composta,
14
principalmente, por íons de fosfato e cálcio caracterizados como um cristal de
hidroxiapatita (Ca10(P04)6(OH)2). Outros íons como bicarbonato, magnésio,
potássio, sódio e citrato também estão presentes, porém, em pequenas
quantidades (JUNQUEIRA, 1995).
As fibras de colágeno dão ao osso resistência à tensão elevada, isto é, podem
resistir ao alongamento e à torção. Os sais permitem ao osso resistir à
compressão. Esta combinação de fibras e sais confere ao osso excepcional força,
sem torná-lo quebradiço (SAITO,2003).
As células que compõe o osso são os osteoblastos, os osteócitos e
osteoclastos. Os osteoblastos são as células responsáveis pela formação do
tecido ósseo, sintetizam os componentes da matriz orgânica e controlam a
mineralização dessa matriz. Estas células são completamente diferenciadas e não
apresentam capacidade de migração e proliferação. Assim, para permitir que
ocorra a formação óssea em um sítio determinado, células progenitoras
mesenquimais indiferenciadas (células osteoprogenitoras) podem migrar para o
sítio e proliferar para se tornar então osteoblastos. A diferenciação e o
desenvolvimento dos osteoblastos pelas células osteoprogenitoras são
dependentes da liberação das BMPs e de outros fatores de crescimento.
Os osteoblastos são capazes de concentrar fosfato de cálcio, participando da
mineralização da matriz (JUNQUEIRA, 2004). Os osteoblastos, além da produção
dos componentes da matriz, funcionam como transmissores de sinais para a
remodelação (KATCHBURIAN et al., 2004). À medida que a matriz óssea é
sintetizada, os osteoblastos ficam envoltos por ela e passam a ser chamados
osteócitos (OCARINO et al., ).
Os osteócitos são as células aprisionadas no interior da matriz óssea
mineralizada, ocupando as lacunas das quais partem canalículos. Cada lacuna
contém apenas um osteócito. Dentro dos canalículos os prolongamentos dos
osteócitos estabelecem contatos através de junções comunicantes, por onde
podem passar pequenas moléculas e íons de um osteócito para o outro. Esse
arranjo permite aos osteócitos (1) participar na regulação da homeostasia do
15
cálcio sanguíneo e (2) perceber a carga mecânica e transmitir essa informação às
outras células dentro do osso (JUNQUEIRA, 2004; LINDHE et al., 2005).
A atividade de formação óssea está consistentemente associada à reabsorção
óssea que é iniciada e mantida pelos osteoclastos. Os osteoclastos são células
móveis, gigantes, multinucleadas e extensamente ramificadas, observadas nas
superfícies ósseas (LYNCH et al., 1999; KATCHBURIAN e al, 2004; LINDHE et
al., 2005). A zona clara é um local de adesão do osteoclasto com a matriz óssea e
cria um microambiente fechado, onde tem lugar a reabsorção óssea. Os
osteoclastos secretam para dentro desse microambiente fechado, ácido (H+),
colagenase e outras hidrolases que atuam localmente digerindo a matriz orgânica
e dissolvendo os cristais de sais de cálcio. A atividade dos osteoclastos é
coordenada por citocinas e por hormônios como a calcitonina, produzida pela
glândula tireóide, e o paratormônio, secretado pelas glândulas paratireóides
(JUNQUEIRA, 2004; HERNÁNDEZ-GIL et al., 2006).
A arquitetura óssea na maioria dos ossos possuem uma estrutura básica
composta por duas camadas:
Osso cortical- camada mais externa e mais dura
Osso trabecular - camada interna, mais esponjosa
Os compostos minerais formam a estrutura rígida responsáveis pela
sustentação, enquanto que a parte orgânica preenche as lacunas na estrutura
conferindo a característica de elasticidade do esqueleto. Quando o osso possui
pouca substância mineral em relação à substância orgânica, deforma-se ou
curva-se facilmente (raquitismo). Por outro lado, quando há diminuição da
substância orgânica, o osso torna-se quebradiço e fratura-se facilmente
(GUYTON, 1988).
O osso maduro existe em duas geometrias diferentes: sistema de Havers,
formado por camadas concêntricas (como pele de cebola) ao redor de um vaso
sanguíneo e o sistema lamelar formado por camadas que se prolongam até a
superfície óssea. A camada superficial do osso é formada por osso compacto com
poros de 1μm a 100μm enquanto a parte central é formada por tecido mole da
16
medula óssea. As trabéculas ósseas emergem da cavidade da medula e formam
o osso trabecular ou esponjoso com poros de 200μm a 400μm, estendendo-se
até o osso compacto (LEGEROS, 2002; TIRREL et al. 2002).
O osso esponjoso é formado por lamelas, na sua maioria paralelas entre si. As
lamelas formam delgadas trabéculas que deixam, entre elas, amplos espaços
preenchidos por tecido conjuntivo frouxo, vasos sanguíneos e tecido
hematopoiético, constituindo, portanto, parte da medula óssea. O osso compacto
é formado por numerosos sistemas de lamelas concêntricas (KATCHBURIAN et
al., 2004).
Os canais de Havers comunicam-se entre si, com a cavidade medular e com a
superfície externa do osso por meio de canais transversais ou oblíquos,
denominados canais de Volkmann, que atravessam as lamelas ósseas. Todos
esses canais se formam quando a matriz óssea se forma ao redor de canais
preexistentes (DHARA ,2002).
Os ossos podem crescer, modificar sua forma (modelamento ou
17
Figura 1. Sistema de canais Harvers e Volkman (JUNQUEIRA L. C. U.,
CARNEIRO J., 2004).
remodelamento externo), auto-reparar-se quando fraturado (regeneração
óssea) e continuamente renovar-se por remodelamento interno. Todas essas
funções são ministradas por processos fisiológicos, mecânicos e hormonais. O
crescimento ósseo ocorre na maioria das vezes durante a infância, a cicatrização
de fraturas somente ocorre durante o tempo de reparo da lesão, já a reabsorção
óssea ocorre durante toda a vida, seguindo a regra ditada pela evolução
microestrutural do osso e, conseqüentemente, na adaptação de propriedades
estruturais e reparos de microdanos (MOTTA,2006).
4.2. HIDROXIAPATITA
As apatitas existem espalhadas na natureza como principais constituintes de
rochas ígneas e metamórficas, e em grandes depósitos em vários lugares do
mundo. A forma predominante entre as apatitas é a apatita de cálcio,
Ca10(PO4)6X2. Substituindo-se o ânion X- por OH- na fórmula anterior tem-se a
hidroxiapatita (HA) na sua forma estequiométrica (LORENZO,2000).
18
Figura 2. Estrutura célula unitária da Hidroxiapatita (MAVROPOULUS, A.M. et al., 2002)
O osso apresenta cristais de fosfato de cálcio sob a forma de agulha, de
tamanhos nanómetricos de cerca de 5-20 nm de largura por 60 nm comprimento,
com uma fase de apatita mal cristalizada, não estequiométrica contendo CO32 -,
Na +, F- e outros íons em uma matriz de fibras colágenas (FERRAZ M.P, 2004).
Foi sugerido ao estudarem hidroxiapatitas cerâmicas com porosidade
graduada como substitutos do osso natural, que pequenas variações na
geometria e propriedades físico-químicas poderiam causar significantes
diferenças na resposta biológica. Neste estudo as hidroxiapatitas exibiram forte
adesão ao osso com os poros contribuindo para uma interligação mecânica
conduzindo a uma firme fixação do material com o tecido ósseo (TAMPIERI et al.,
2001).
A característica mais importante associada a um material cerâmico que devera
substituir um tecido ósseo são a porosidade e a capacidade do material
implantado a função osteocondutora. A arquitetura porosa controlada, a
porosidade elevada, o tamanho adequado do poro e a interconectividade destes
arcabouços são necessários para facilitar a distribuição e difusão das células e de
nutrientes por toda a estrutura (COSTA et al., 2007).
O tamanho dos poros, o volume, a distribuição, a densidade são
características que afetam as propriedades físicas e, subseqüentemente, seu
comportamento biológico. A área de superfície e a porosidade são duas
propriedades físicas importantes que determinam a qualidade e a utilidade dos
biomateriais e conseqüentemente, suas variabilidades nas partículas dentro de
um material exercem grandes feitos em suas características de desempenho.
Estas propriedades são especialmente encontradas em um tipo especial, na HA
(NAGEM,2006).
O uso da HA tem sido muito pesquisado desde seu surgimento como
biomaterial, em 1970. A HA é um fosfato de cálcio hidratado, principal
componente (cerca de 95%) da fase mineral dos ossos e dentes humanos. O
19
substantivo hidroxiapatita é formado pela junção das palavras “hidroxi” e “apatita”.
“Hidroxi” refere-se ao grupo hidroxila (OH) e “apatita” é uma nômina mineral. A
palavra “apatita” vem do grego e significa “decepciono”, por ser confundida com
turmalina, berilo e outras pedras. A HA é o material presente nos vertebrados,
compondo o esqueleto ósseo e atuando como reserva de cálcio e fósforo
(SANTOS, 2002).
Desde que surgiram no mercado, no início dos anos 80, as cerâmicas de
fosfato de cálcio foram consideradas os materiais por excelência para a
remodelação e reconstrução de defeitos ósseos em decorrência de certas
vantagens por elas apresentadas. Essa preferência deve-se principalmente às
suas inigualáveis propriedades de biocompatibilidade, bioatividade e
osteocondutividade, o que significa que, ao serem implantadas no sítio ósseo, não
induzem resposta imunológica; são capazes de ligar-se diretamente ao tecido
ósseo e permitem o crescimento do osso ao longo de sua superfície (LIU et al.,
1997; CARRODEGUAS et al., 1999).
A HA policristalina tem um alto módulo de elasticidade (40-117 GPa). A razão
Ca/P ideal da HA (estequiométrica) é 1,67. A densidade calculada para a HA é
3,219 g/cm3. A HA do osso pode se apresentar em forma de camadas, com um
tamanho muito pequeno, aproximadamente (1,5-3,5 nm) X (5,0-10,0 nm) X (40,0-
50,0 nm) (ZHANG, 1997; FULMER et al, 1992).
Existem várias formas de HA disponíveis, incluindo absorvíveis ou não,
particuladas ou em blocos, densas ou porosas. As vantagens do uso da HA são:
não haver a necessidade de abrir um segundo sítio cirúrgico, ser biocompatível e
formar uma ligação direta com o tecido ósseo. As desvantagens são: não ser
osteoindutora e não conter células osteoprogenitoras (Tong et al., 1998).
Entre as suas indicações de uso está o reparo de defeitos ósseos em
aplicações odontológicas e ortopédicas, aumento do rebordo alveolar,
regeneração guiada de tecidos ósseos, reconstrução bucomaxilofacial, reparo e
substituição de paredes orbitais e substituição do globo ocular (PARIS, 2002). A
HA pode ser classificada como um biomaterial aloplástico, isto é, de origem
20
sintética utilizada para implantação no tecido vivo, ou xenógena (enxertos
heterógenos), a qual provém de doadores de outra espécie (estrutura óssea
bovina) (CARIA et al., 2007).
Apesar da HA não induzir neoformação óssea a reação de células
osteogênicas com hidroxiapatita in vivo e in vitro mostrou que a sua superfície é
osteocondutiva. O resultado dessa atividade foi a deposição de tecido ósseo
diretamente sobre a superfície da HA implantada, sem nenhuma evidencia de
encapsulação ou tecido de granulação (SEPULVEDA, 2002).
Os pós de HA sintéticos podem ser amorfos ou policristalinos com vários
graus de cristalinidade de acordo com o seu preparo. Durante a sinterização, a
pressão e/ou a temperatura tende a dar um produto acabado de HA policristalina,
que varia em porosidade. Métodos de obtenção de pós de HA e de produtos
acabados de HA são descritos na literatura.
A HA porosa tem sido amplamente utilizada como substituinte ósseo. Ela
apresenta forte ligação ao osso. Além disso, os poros fornecem um encaixe
mecânico levando a uma fixação mais firme do material (Suchanek e
Yoshimura,1998).
A porosidade surge como a propriedade mais importante deste material.
Apesar do aumento da porosidade diminuir a resistência mecânica do material
isoladamente, a existência de poros com dimensões adequadas podem favorecer
o crescimento do tecido através do material o que aumenta a resistência in vivo
(Hench 1998). Entretanto, mesmo não sendo osteoindutora, a HA estimula a
síntese de colágeno, mostrando uma neoformação óssea na interface osso-HA
que morfologicamente pode ser comparável aos locais normais de remodelação
óssea (NAGEM,2006).
O diâmetro mínimo dos poros exigidos para o crescimento interior do osso e
angiogenese em um arcabouço é aproximadamente de 100μm (NAGEM,2006).
Um tamanho ótimo do poro para melhor aderência, diferenciação e crescimento
dos osteoblastos e para maior vascularização é quando o diâmetro ideal dos
poros estejam entre 300μm a 400μm (TSURUGA et al.,1997).
21
A hidroxiapatita é produzida por uma série de reações, complexas e
demoradas, de sinterização do carbonato de cálcio com o ácido fosfórico. Ao final
dessas reações de síntese, se obtêm as apatitas na forma de um pó, isto é,
constituídas por um aglomerado de partículas em simples justaposição, mantidas
juntas por ligações muito fracas (NAGEM,2006).
Para que uma cerâmica em forma de pó tenha propriedades adequadas para
que essa possa ser utilizada como cerâmica biocompatível ela deve apresentar:
partículas com composição homogÊnea, muito fina, e com distribuição
granulométrica estreita. Isso só pode ser almejado através de controles rigorosos
de síntese. A partir de diferentes pós é possível a obtenção de diferentes
morfologias e formas (de denso até extremamente poroso) os quais incluem
técnicas de processamentos cerâmicos tradicionais e avançados
(VOLKMER,2006).
Dois tipos de hidroxiapatitas podem ser produzidos: as sintetizadas em altas
temperaturas e que apresentam boa cristalinidade e cristais grandes, e as HAs
sintetizadas em baixas temperaturas, precipitada por via úmida, que apresentam
baixa cristalinidade e cristais pequenos e possuem características similares às do
tecido ósseo e dentário, diferente da HA sintetizada a altas temperaturas. A
temperatura de sinterização apresenta um efeito bastante evidente sobre a
porosidade, sendo que, ao aumento da temperatura corresponde a uma redução
na porosidade da HA e que as temperaturas menores apresentam maior
porcentagem de porosidade (NAGEM,2006).
4.3. SÍNTESE DA HIDROXIAPATITA
Existem muitas estratégias de síntese para produzir hidroxiapatita
biomimética. Para simular a morfologia do osso esponjoso, a hidroxiapatita porosa
pode ser preparada utilizando várias tecnologias para controlar a dimensão de
poro, a forma, a distribuição e as interconexões. A HA com diferentes morfologia
nanocristaistalinas são preparadas introduzindo diferentes subtâncias durante a
22
síntese ou mudando a temperatura de reação,com a finalidade de otimizar suas
especificidades com aplicações biomédicas, especialmente referindo-se a
formação de um novo osso ou a função de entregar drogas (ROVERI, N. et al.,
2010).
Tentativas de reproduzir a estrutura porosa do tecido ósseo natural levaram
ao desenvolvimento das cerâmicas porosas. A razão para a utilização de
cerâmicas porosas é fornecer local para o tecido ósseo crescer e fixar o implante
biologicamente. Para o crescimento ocorrer, o tamanho do poro deve ser grande
o bastante para acomodar as células, juntamente com o sistema de irrigação
sanguínea, ficando por volta de 100-200 µm de diâmetro (HULBERT µm, 1971;
KARAGEORGIU, 2005).
As técnicas para a síntese de hidroxiapatitas são, geralmente, divididas em
altas e baixas temperaturas. As sínteses a altas temperaturas envolvem,
normalmente, reações no estado sólido e conduzem a HA com alto grau de
pureza e cristalinidade, porém com áreas específicas baixas. As sínteses a
temperaturas inferiores usam técnicas tradicionais de co-precipitação, em solução
aquosa e hidrólise e envelhecimento de precursores. Essa metodologia,
geralmente, produz materiais não estequiométricos, também conhecidos como
HA deficiente em cálcio. Essas HA apresentam cristalinidade baixa e áreas
específicas mais elevadas (SILVA, G. O.).
Muitas diferentes metodologias têm sido propostas para preparar estruturas
nanométricas e / ou nanocristalinas. Estas podem ser, precipitação química
úmida,síntese de sol-gel, síntese hidrotérmica, reação de estado sólido e vários
outros métodos pelos quais nanocristais de várias formas e tamanhos podem ser
obtidos.
23
4.3.1. TIPOS DE SÍNTESE DA NANOHIDROXIAPATITA
4.3.1.1. REAÇÃO DE PRECIPITAÇÃO (COPRECIPITAÇÃO)
A coprecipitação química é um dos métodos mais populares, ao qual é
sintetizado a partir de soluções aquosas contendo os íons de Ca2 +, PO43 - e OH-,
que em condições de pH> 7 formam cristalitos primários insolúveis de
hidroxiapatita (Safronova T. V et al., 2007).
No método de precipitação úmida, as reacções químicas ocorrem entre
íons de cálcio e íons de fósforo sob um temperatura e pH da solução controladas.
O pó precipitado é tipicamente calcinado a uma temperatura elevada, a fim de se
obter uma estrutura estequiométrica da HA. Titulação lenta e soluções diluídas
devem ser utilizadas para melhorar a homogeneidade química e a estequiometria
dentro do sistema. O controle cuidadoso das condições da solução também se
fazem necessários neste método. Em trabalhos anteriores, a diminuição do pH da
solução abaixo de cerca de 9 poderia levar à formação de estrutura de apatite
deficiente em cálcio.
A partir do processo de coprecipitação, que é simples e de baixo
custo,pode-se sintetizar nanocristais com formatos tipo agulhas/esféricas ou
nanobastões. Porém, o controle do processo de preparação é difícil e as
partículas sintetizadas facilmente se agregão, porém a agregação pode ser
superada pela adição de dispersantes orgânicos, tais como polímeros ou
tensoactivos. Apesar das nanopartículas terem uma baixa cristalinidade e
coexistirem com os dispersantes, estes defeitos podem ser corrigidos durante o
processamento da nanocerâmica, em que uma alta temperatura de sinterização
pode efetivamente remover os componentes orgânicos(HONG, Y. et al,2010).
A partir da análise dos gráficos do DRX é possível verificar que a amostra
tratada termicamente a 200 ° C,pela reação de precipitação, o padrão de DRX
revela a presença de uma importante fase amorfa. Porém a proporção da fase
amorfa diminuiu com o aumento da temperatura no tratamento térmico, tal como
são apresentados na figura 1b e 1c. Também é possível afirmar que com o
24
aumento da temperatura os sinais de hidroxiapatita tornaram-se mais acentuados,
pois ocorre um cresciment dos cristais (Bose S., 2003).
No processo de precipitação o surgimento de fases secundárias, de óxido
de cálcio se tornam vísiveis apenas para amostras tratadas termicamentes 1200 °
C , identificados em 37,37 e 53,86 (2θ), como motra o padrão de difração de
raios X da figura 1c (Bose S., 2003).
Figura 1. Padrões de difracção de raio-X da hidroxiapatita tratada a diferentes
temperaturas: (a) 200 ° C, (b) 600 ° C, (c) 1200 ° C (Bose S., 2003).
Para HA sintetizada por precipitação sintetizadas a 75°C e tratadas
térmicamente a 200°C e 1200°C, pode-e afirmar que ocorre a formação de HA
etequiométrica, ou seja, não há moléculas de água presentes na rede cristalina.
Isto pode ser confirmado pela análise dos espectros de FTIR (Figura 2), que
25
revela a ausência do sinal grande que deveria estar localizado a 3,550
centímetros-1, que é atribuída ao sinais da água de cristalização, isto é,
moléculas de água retidas na célula unitária da apatita (Bose S., 2003).
Figura 2. Espectro de FTIR da hidroxiapatita sintetizada a 75 ° C e tratada
termicamente a 200 ° C e 1200 ° C (Bose S., 2003).
4.3.1.2. REAÇÃO HIDROTÉRMICA
O método hidrotermal como o próprio nome diz, usa soluções aquosas em
altas temperaturas para facilitar a precipitação dos cristais de dimensões maiores
do que aquelas obtidas pelos método úmidos. A síntese hidrotérmica tem sido
usada para transformar suspensões, soluções, ou géis para a fase cristalina
desejada em condições reacionais leves, tipicamente inferiores a 350°C
(DOURADO, E.R., 2006).
Esse método gera HA com alto grau de cristalinidade e razão Ca/p =1.67
estequiométrica,Pós tipicamentes sintetizados por este método têm demonstrado
formato em agulha com partículas entre 20 e 40 nm de diâmetro e 100-160 nm de
comprimento (EARL J. S. et al, 2006).
26
Apenas hidroxiapatita é sintetizada a 200°C durante 24hs, pela reação
hidrotérmica. Porém em tempos de 48h e 72h, além da hidroxiapatita, há também
a formação de monetite (CaHPO4), como pode ser observado na Figura 3 (EARL
J. S. et al, 2006).
Figura 3. DRX dos pós preparados pelo método hidrotérmico a 200°C por (a)
24hs, (b)48h e (c)72hs. Os quadrados indicam o sinais de CaHPO4 e os que não
estão marcados são os sinais da HÁ (EARL J. S. et al, 2006).
.
A morfologia predominante da hidroxiapatita sintetizada pelo método
hidrotérmico é o de pós em forma de haste, mesmo em diferentes tempos de
exposição a temperatura de 200°C, como mostra a figura 4 (EARL J. S. et al,
2006).
27
Figura 4. Micrografias de MEV de pós sintetizados tratados por diferentes
períodos de tempo, tratados a 200 oC: (a) 24 hs,(b) 48 hs e (c) 72 hs (EARL J. S.
et al, 2006).
4.3.1.3. REAÇÃO SOL-GEL
No processo sol-gel, embora os nanocristais com pureza elevada e de
componentes homogéneos possam ser facilmente adquirido, a síntese de
nanocristais necessita de alta temperatura de sinterização para melhorar a sua
estrutura cristalina, e este procedimento também consome muito tempo. Além
disso, é adquirido produtos nanocristalinos agregados (HONG, Y. et al, 2010).
O método de processo sol-gel exige um estrito controle do pH e de
agitação vigorosa, e também leva muito tempo para sofrer hidrólise (RAJKUMAR
M,2011).
A variação da concentração molar dos reagentes na síntese da
hidroxiapatita, pelo método sol-gel, afeta a relação Ca/P. Tal variação pode ser
confirmada pelos valores de EDS (figura 5) das hidroxiapatitas sintetizadas com
diferentes concentrações de seus precursores (1,72; 1,67; 1,53). A partir do
padrão de EDS, pode-se verificar que a relação Ca / P, que oscila entre 1,26 e
1,56, indica que a HA formada é uma HA cálcio deficiente. Também pode-se
obervar que com o aumento dos valores de pH (pH=10 para pH=11) há um
aumento na relação Ca/P das amostras preparadas pelo método sol-gel.
(RAJKUMAR M, 2011).
28
Figura 5. Padrão de EDS da HA sintetizada (a)Concentração Molar (CM)= 1,72 e
pH=10, (b) CM = 1,72 e pH= 11. (c) CM =1,67 e pH=10 , (d) CM = 1,67 e pH=11,
(e) Concentração Molar = 1,53 e pH=10, (f) CM = 1,53 e pH=11.
4.3.1.4. REAÇÃO DE ESTADO SÓLIDO
As grandes vantagens da reação de estado sólido são a alta velocidade do
processo de formação e a cristalinidade do fosfato final. Entretanto, o custo
elevado de energia, devido à utilização de altas temperaturas, normalmente é um
parâmetro a ser considerado (SILVA, G. O.).
Este método preparativo utiliza-se um ortofosfato de cálcio como fonte de
material de partida, que é misturado com carbonato de cálcio e aquecido a altas
temperaturas (>900°C).
A Figura 5 apresenta a micrografia da hidroxiapatita sintetizada pela reação
de estado sólido, ao qual sofreu sinterização a 1200°C e compressão de 135 MPa
(PRAMANIK S, 2005).
.
29
Figura 6. MEV da hidroxiapatita (PRAMANIK S, 2005).
A hidroxiapatita produzida a partir do método de reação do estado sólido,
submetida a sinterização ou não possui valores próximos ao padrões (JCPDS),
como pode ser observado no EDS (figura 7) (PRAMANIK S, 2005).
.
Figura 7. Padrão de Difração das amostras de HA: (a) Pós de apatita antes da
sinterização; (b)Pós de hidroxiapatita depois da sinterização
30
5. CONCLUSÃO
As diferentes metodologias de síntese dos pós de hidroxiapatita produzem
biocerâmicas com características diferenciadas, que devem ser levadas em
consideração quando estas forem utilizadas para mimetizar as apatitas presentes
no tecido ósseo.
As técnicas aqui apresentadas são viáveis para a síntese da hidroxiapatita,
porém as condições em que a reação ocorre podem influenciar nas
características e pureza do pó. Os diferentes tipos de reações são escolhidos
dependendo de qual será sua utilização final, o custo da produção, os
subprodutos da reação, entre outros fatores essenciais para um bom rendimento.
31
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