SINTESI E CARATTERIZZAZIONE DI APATITI CON FINALITA BIOMEDICHE Gabriella Salviulo Dipartimento di Geoscienze Università di Padova Gruppo Nazionale di Mineralogia

SINTESI E CARATTERIZZAZIONE DI APATITI CON FINALITA’

BIOMEDICHEGabriella Salviulo

Dipartimento di Geoscienze Università di Padova

Gruppo Nazionale di Mineralogia Workshop “MINERALI E SALUTE”

Roma 14-15 giugno 2007

“APATITE”

• Ca10 (PO4)6(F,OH, Cl)2

• Fosfato più abbondante • apatite s.s. tre termini idrossi- fluoro- e cloro-

• minerali importanti nell’ambito– delle scienze della terra– delle scienze dei materiali – delle scienze della vita

COMPOSIZIONE CHIMICA

• Sostituzioni isomorfe

• Ca K, Na, Mg, Fe, Mn, Ni, Cu, Co, Zn, Sr, Ba, Pb, Cd, Sb, Y, REE, U ….

• OH F, Cl

• (PO)4 AsO43- SO4

2- CO32- SiO4

4-

STRUTTURA

Tetraedro PO4

Poliedro Ca1O9Poliedro Ca2O6X

STRUTTURALa posizione dell’anione cambia a seconda del tipo, proprio rispetto alla posizione del Ca.

Gli ioni calcio infatti formano dei triangoli su piani a z=1/4 e z=3/4 e ognuno dei 3 Ca è

legato a un anione centrale.

F, il più piccolo dei 3 sta z=1/4 e z=3/4 mentre OH e Cl stanno o sopra o sotto

Struttura della fluoroapatite

Scienze della vita• la idrossiapatite costituisce la frazione inorganica di

ossa e denti e di molte calcificazioni patologiche

• ecco perché la sua importanza in campo medico odontoiatria ortopedia neurochirurgia

• l’apatite non è tessuto inerte, ma gioca un ruolo fondamentale nelle funzioni metaboliche del corpo

• la capacità di sequestrare i metalli pesanti è fondamentale per il trasporto e l’assorbimento di specie tossiche nel nostro corpo

• la presenza di alcune specie atomiche in tracce può inibire o favorire la formazione di apatite.

BIOMINERALI CALCIO- FOSFATICI

Nome Formula Esempi

Idrossiapatite Ca10(PO4)6(OH )2 Frazione inorganica di ossa e denti

(Mg2+, CO32-, (HPO4)2-)

Calcio fosfato Amorfo (ACP)

Un tempo ritenuto il principale componente della frazione minerale delle ossa; usato in alcuni particolari tipi di protesi

Ottocalcio fosfato Ca8H2(PO4)6.5H2O Calcificazioni patologiche e forse fase intermedia nel processo di precipitazione delle apatiti biologiche

Brushite CaHPO4.2H2O Calcificazioni patologiche

Mg- Whitlockite Ca18Mg2H2(PO4)14 Calcificazioni patologiche

Calcio pirofosfato biidrato triclino o monoclino

Ca2P2O7.2H2OCaratteristico delle articolazioni: ginocchia e altre grandi articolazioni periferiche

Tetracalciofosfato Ca4(PO4)2O Usato in alcuni cementi

Monetite CaHPO4 Usato in alcuni cementi

- e -tricalciofosfato - e - Ca3(PO4)2 Usato in alcuni cementi

BIOAPATITI

• Le principali caratteristiche delle bioapatiti sono: • piccole dimensioni dei cristalli e quindi difficoltà

a determinare la struttura attraverso i metodi diffrattometrici

• area superficiale molto elevata, almeno 100 m2/g perciò una frazione considerevole degli ioni occupa posizioni superficiali che rende difficile correlare la composizione chimica con la possibile struttura cristallografica.

• Forte orientazione dei cristalli

apatite

osso

BIOAPATITI

• Le principali differenze tra il minerale apatite s.s. e le bioapatiti sono: rapporto Ca/P variabile, presenza di CO3

2- e HPO42-

• La seguente formula esprime con un buon grado di approssimazione la situazione

• Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x con 0≤x≤1• L’analisi Rietveld indica che:

• la perdita di Ca avviene principalmente dal sito Ca2 (cfr relazione con perdita OH)

• la sostituzione Ca-Mg raggiunge al max il 10% e sembra che entri in Ca2. E’ verosimile che ci sia un forte adsorbimento superficiale di Mg dato che i tessuti mineralizzati contengono significative quantità di Mg

DALLA BIOAPATITE AI BIOMATERIALI

ATTRAVERSO LA SINTESI• SIMILITUDINE TRA IDROSSIAPATITE E FRAZIONE

MINERALE DELLE OSSA SUGGERISCE UNA INTRINSECA BIOCOMPATIBILITA’ DELL’APATITE

– le apatiti giocano un ruolo chiave negli impianti biomedici

– Già trent’ anni fa l’impianto di materiale calciofosfatico per sostituire tessuti danneggiati ha dato l’impulso per lo sviluppo di produzione di materiali artificiali ai fine terapeutici

• Questo ha contribuito a un incremento della vita media, almeno nel cosiddetto mondo sviluppato

• Il giro d’affari pertinente ai biomateriali è dell’ordine di milioni di dollari per anno

DALLA BIOAPATITE AI BIOMATERIALI

ATTRAVERSO LA SINTESI• La capacità di produrre materiali artificiali che provochino una

eccellente risposta nell’interazione con i tessuti ha fornito lo stimolo e la necessità per lo sviluppo della produzione di idrossiapatite meglio, più in generale, di apatiti per applicazioni biomediche

• Il primo passo per la produzione di biomateriali sta nell’abilità di sintetizzare polveri di apatiti monofasiche e riproducibili

• In commercio esistono apatiti di composizione chimica molto variabile e poichè ogni produttore di protesi vuole la certezza della qualità del materiale prodotto generalmente avvia la catena di sintesi in proprio

Ca5( PO4 )3OHidrossiapatite

Biomateriale:

• Osteofilico

• Osteoinduttivo

• Osteoconduttivo

In base alla risposta ossea:

• Biotollerato

• Bioinerte

• Bioattivo

NUOVI MATERIALI CALCIONUOVI MATERIALI CALCIO-- FOSFATIFOSFATI

SINTESI DI APATITI

• Per rispondere alle esigenze “di mercato” i processi di sintesi delle apatiti devono essere in grado di produrre

• Variazioni controllate e controllabili di composizione chimica

• Differenti forme: cementi o cristalli• Cristalli con dimensioni e morfologia

variabili

METODI DI SINTESI

• Molti e differenti sono i metodi di sintesi precipitazione da soluzione– Il metodo consiste nella contemporanea aggiunta di un sale di calcio e

un composto fosfatico all’acqua. In alternativa il processo può avvenire per aggiunta goccia a goccia di un fosfato a una soluzione acquosa di un sale di calcio, in condizioni controllate di Temperatura e pH

• reazione allo stato solido – Il metodo consiste nel mescolamento meccanico di reagenti solidi e nel

successivo riscaldamento ad alte Temperature (>1000°C)

• sintesi per via idrotermale – Il metodo consiste nel sottoporre a 817 atm una sospensione di carbonato

di Calcio e di di-ammonio idrogeno fosfato e riscaldato a 275°C

• idrolisi di fosfati di calcio

• metodi sol-gel

Reazione allo stato solido

fluoroapatite sintetizzata per reazione allo stato solido T=1200 °C t=1h

(Wei et al., 2003)

idrossiapatite calcinata T=1000 °C t=1h

idrossiapatite preparata per via umida T=80°C t=16h

fluoroapatite calcinata T=1000 °C t=1h

fluoroapatite preparata per via umida T=80°C t=16h

(Ahn et. al., 2000)

SINTESI PER VIA UMIDA

Il primo metodo consiste nella contemporanea aggiunta di un sale di calcio e un composto fosfatico all’acqua. In alternativa il processo può avvenire per aggiunta goccia a goccia di un fosfato a una soluzione acquosa di un sale di calcio.

I composti di calcio maggiormente utilizzati sono: nitrato di calcio Ca(NO3)2.4H2O, idrossido di calcio Ca(OH)2, cloruro di calcio

CaCl2, acetato di calcio Ca (CH3COO)2.H2O

I composti fosfatici sono: di-ammonio idrogeno fosfato (NH4)2HPO4 o acido ortofosforico H3 PO4

Le reazioni ad esempio possono essere: reazione di nitrato di Ca con di-ammonio idrogeno fosfato; oppure aggiunta di acido ortofosforico a idrossido di Ca


La reazione di precipitazione viene eseguita con reagenti puri a pH>9 con velocità di aggiunta dei reagenti controllata e mescolando la soluzione a Temperatura tra 25 e 90°C. La resa del processo, misurato sulla base della stechiometria dei reagenti, può essere molto variabile: 87% quando acido ortofosforico ha reagito con idrossido di Calcio alla velocità di produzione di 50 g/hr; per simile velocità di produzione la reazione tra nitrato di Ca e di-ammonio-idrogeno fosfato ha una resa del 29%.

Nelle reazioni dove l’ammonio è parte del precursore si deve aggiungere in continuazione idrossido di ammonio diluito per mantenere costante il pH, perché l’impoverimento in idrossido di Ca della soluzione dovuto alla precipitazione dell’apatite ne fa abbassare il valore.


Il lento ingresso di Ca nella struttura dell’apatite deve essere accompagnato da agitazione e tempo di maturazione dopo la reazione.

Il tempo di maturazione post-reazione è fondamentale per ottenere apatite stechiometrica.

Il rapporto Ca/P=1.67 si ottiene dopo 5 ore dalla fine della reazione per T=90°C. Durante la maturazione anche la forma dei cristalli cambia: diventano progressivamente ad abito più tozzo.

Dopo la maturazione il prodotto viene lavato diverse volte in acqua distillata il cui pH può essere aggiustato per aggiunta di ammoniaca.

La purezza dell’acqua è fondamentale perché in questa fase il reticolo dell’apatite è ancora in grado di acquisire ioni estranei, compromettendo quindi il lavoro.

Infine il precipitato viene seccato e calcinato.


(Jha et al., 1997)


(a) T=3°C (b) T= 25°C

(c) T= 60°CImmagini TEM di HA025F prodotta a differenti Temperature (Jha et al., 1997)

SINTESI PER VIA UMIDALa facilità di inglobare ioni estranei

motore per lo studio del comportamento cristallochimico di sostituenti che normalmente si trovano nella frazione apatitica di ossa e denti

conoscenza di questo usata per migliorare le proprietà di solubilità, comportamento meccanico e resistenza dei biomateriali stessi

I principali sostituenti sono: F- CO32- Mg2+

Zn2+ Fe2+ Fe3+ Si4+ Sr2+ l’aggiunta di questi elementi alla soluzione, diminuisce

la velocità di crescita a basse concentrazioni La sostituzione completa OH----F produce apatite più

stabile e quindi la reazione di precipitazione è più facile


• Problema della ricerca di base: individuare i limiti di solubilità dei diversi elementi o gruppi c’è molto da fare e qui il contributo di mineralogia e cristallochimica è fondamentale

• Obiettivo della ricerca applicata: preparare apatiti drogate con elementi chimici che di norma non si trovano nella frazione apatitica delle ossa, ma che possono avere risvolti sanitari importanti ad es: l’aggiunta di Ag conferisce proprietà antimicrobiche


• La cristallinità varia considerevolmente in funzione delle condizioni di sintesi: alta cristallinità se il materiale è trattato ad alta temperatura; – bassa cristallinità fornisce una maggior

riassorbibilità del materiale e quindi più utile per le applicazioni biomediche Ecco perché oggi parliamo essenzialmente di sintesi per via umida

– Da notare che sintesi a T=90°C produce apatite più pura e a maggior cristallinità rispetto alla sintesi a temperatura ambiente. La cristallinità aumenta in presenza di Sr e F


(Zhang et al., 2005)

Modifica alla morfologia dei cristalli

Variazioni all’intensità dei massimi di diffrazione

in funzione delle condizioni di sintesi


Variazioni della morfologia dei cristalli in funzione del grado di fluorurazione (Zhang et al., 2005)


Variazioni della morfologia dei cristalli in funzione del diverso pH (Zhang et al., 2005)

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