Análise por difração de raio-x de uma hidroxiapatita carbonatada usando o método de Rietveld

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1 ISSN Revista Matéria, v. 11, n. 3, pp , 007 ttp:// Análise por difração de raio-x de uma idroxiapatita carbonatada usando o método de Rietveld MOREIRA, E.L. I ; ARAUJO, J.C. II ; MORAES, V.C.A. I ; MOREIRA, A.P.D. III I Centro Brasileiro de Pesquisas ísicas, MCT. CEP: Rio de Janeiro, RJ, Brasil. bet@cbpf.br; conde@cbpf.br II Universidade do Estado do Rio de Janeiro, P. CEP São Gonçalo, RJ, Brasil. jcaraujo@iprj.uerj.br III Universidade ederal luminense, Instituto de Química. CEP: Centro, Niterói, RJ, Brasil. duarteap@otmail.com RESUMO A estrutura cristalina da idroxiapatita (HAP) é conecida por permitir substituições aniônicas e catiônicas. Dentre essas substituições, a inserção do íon CO3- se destaca por sua importância. Nesse trabalo uma amostra sintética de idroxiapatita carbonatada nanoestruturada (CHA) foi submetida a um tratamento térmico a 500 ºC por seis oras. Posteriormente, aspectos estruturais, microestruturais e tamano de cristalitos da amostra foram analisados por difração de Raio-X, com o Método de Rietveld (programa ULLPRO). O refinamento dos parâmetros estruturais, em particular os fatores ocupacionais atômicos, indicou uma distribuição de íons CO3- entre os sítios do PO43- e da OH-, ocorrendo uma maior inserção no sítio do fosfato. Os parâmetros da célula unitária quando comparados a uma HAP de referência padrão (ICSD 6-04), mostraram uma contração nos eixos a e b e expansão no eixo c. Os tamanos de cristalitos estimados nas direções dos eixos cristalográficos sugerem que a amostra tem morfologia equiaxial. O valor obtido para o teor em peso do íon carbonato na amostra pelo refinamento dos fatores ocupacionais foi de 10,7%, estando em boa concordância com o valor de 1,8% obtido pela técnica de dessorção termo programado (DTP). Palavras caves: Hidroxiapatita carbonatada, Refinamento de Rietveld, Difração de Raio-X, Análise da microestrutura e Tamano de cristalito. Analysis of a carbonated ydroxyapatite by X ray difraction using te Rietveld metod ABSTRACT Te crystal structure of ydroxyapatite (HAP) is nown to permit a great variety of substitutions - anionic and cationic. Among tese substitutions, te insertion of CO 3 group is empasized for its importance in biomaterial applications. In tis wor, a syntetic sample of nanostructure carbonated ydroxyapatite (CHA) was submitted to termal treatment at 500ºC for 6. Later te structural, microstructural aspects and crystallite size were analyzed for X-Ray diffraction by te Rietveld metod (program ULLPRO). Te refinement of structural parameters, particularly te atomic occupancy factors, indicated a distribution CO - 3 ions between PO 3-4 and OH - sites, occurring a great insertion in te pospate site. Te unit cell parameters of CHA compared to HAP pattern (ICSD 6-04) sowed a decrease in te a-b parameter and an increase in te c parameter. Te Rietveld refinement metod was used for to estimate quantitavely te inclusion of foreign ions in te HAP structure. Te crystallite size in te crystallograpy axis directions suggests an equiaxial morpology. Te content of te carbonate íon for te sample obtained by te refinement of te occupancy factors was 10,7% in good agreement wit te 1,8% content by te Temperature Programmed Dessorption (TPD). Key Words: Carbonated ydroxyapatite, Rietveld refinement, X-Ray diffraction,, Microstructural analysis and Crystallite size Autor Responsável: Moraes, V.C.A. Data de envio: 30/08/06 Data de aceite: 15/0/07

2 MOREIRA, E.L.; ARAUJO, J.C.; MORAES, V.C.A.; MOREIRA, A.P.D.; Revista Matéria, v. 1, n. 3, pp , INTRODUÇÃO A estrutura da idroxiapatita, Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) por ser aberta e ospedeira permite a substituição de todos os seus íons, Ca +, PO 4 3- e OH -, mantendo a eletroneutralidade. Segundo [7] (MIYAJI.et al )a substituição desses íons causa alterações notáveis em sua estrutura. A substituição dos íons PO 4 3- e OH - pelo íon CO 3 - provoca a contração do eixo a e b e expansão do eixo c; diminuição da cristalinidade; aumento da solubilidade; variação nas posições atômicas e mudança na morfologia dos cristalitos. Alguns estudos têm evidenciado que as condições de síntese influenciam o conteúdo de carbonato estrutural e a cristalinidade das CHA [1] (BAIG et al.1999). EATHERSTONE et al. [4] (1983) mostraram que as CHA precipitadas em baixa temperatura possuem elevados teores de carbonato e baixa cristalinidade. A difração de raios-x é uma técnica importante na caracterização de materiais cristalinos. O emprego do método de Rietveld [9], (RIETVELD,H.M,1967)em conjunto com um modelo funcional apropriado para descrever os alargamentos das linas de difração, permitem obter informações estruturais e microestruturais, como parâmetros de rede, coordenadas atômicas, densidade ocupacional, YOUNG, [13]. Este trabalo teve como objetivo estudar uma idroxiapatita carbonatada nanoestruturada tratada termicamente; estimar a distribuição dos íons carbonatos inseridos na estrutura e modificações decorrentes dessa substituição através do refinamento de Rietveld pelo programa ullprof [10] (RODRÍGUEZ-CARVAJAL, J.1997). MATERIAIS E MÉTODOS.1 Preparação da Hidroxiapatita Carbonatada Nanoestruturada A idroxiapatita carbonatada nanoestruturada foi sintetizada por precipitação utilizando soluções aquosas de Ca(NO 3 ).4 H O, 0,1 mol/l; (NH 4 ) HPO 4, 0,09mol/L e (NH 4 ) CO 3, 0,033 mol/l. À solução fosfato/carbonato foi adicionada sob fluxo de 4 ml/min a solução de cálcio. A temperatura e o ph foram rigorosamente controlados em 3 o C e 1, respectivamente. Depois da adição, a suspensão ficou em agitação por oras.o precipitado foi lavado, filtrado a vácuo e liofilizado.a amostra obtida foi submetida a um tratamento térmico" in situ" com taxa de 10 o C.min -1 a 500 o C durante 6 oras. A amostra foi denominada HC13C5006. Através da técnica de dessorção termo programada (DTP) foi determinado [8] (Moreira, 006). em 1,8% em peso o teor de íons CO 3 - na amostra.. Difração de raio-x Os dados da difração de raios-x para a HC13C5006 foram obtidos no Instituto de ísica da USP de São Carlos com o difratômetro de pó Rigau Rotaflex usando radiação de CuKα, com monocromador de grafite. A medida de θ foi de 10o a 100º, passo 0,0º com tempo de 5 s. O material padrão usado para modelar a resolução instrumental no refinamento da estrutura da amostra HC13C5006 foi o exaboreto de lantânio (LaB6, pó< 10μm, e pureza 99%, AldricTM). Os dados do padrão LaB6 foram obtidos no mesmo instrumento de difração, variando a medida de 5o a 10º, passo de 0,0º e com tempo de 5 s..3 Refinamento Estrutural pelo Método de Rietveld No refinamento estrutural da HC13C5006 foi excluída a região de 10 o a 14º. No caso do material de referência foram excluídas visando obter parâmetros de melor qualidade, as seguintes regiões para: 7,10 o a 7, 70 o ; 33,50 o a 34,00 o e 38,90 o a 39,30 o. A análise de Rietveld é realizada através do ajuste dos dados de difração por um modelo matemático fenomenológico (Equação 1), que utiliza o método dos mínimos quadrados visando a minimização do resíduo R Y, dado por: R Y ( x) wi ( yi yci ) (1) onde y i e y ci são respectivamente as intensidades observadas e calculadas no i-ésimo passo (na escala θ), w i é um fator de peso da distribuição e x é o vetor n dimensional cujas coordenadas são os parâmetros a serem refinados. O programa ullprof [10] (RODRÍGUEZ-CARVAJAL 1997,versão005) utiliza o algorítmo de Gauss-Newton para a minimização do resíduo R Y (x). O modelo fenomenológico usado para descrever o perfil de uma amostra policristalina, corrigido o bacground, é baseado na expressão: 495

3 MOREIRA, E.L.; ARAUJO, J.C.; MORAES, V.C.A.; MOREIRA, A.P.D.; Revista Matéria, v. 1, n. 3, pp , 007. y w i S () S contém as informações estruturais e w descreve o perfil da -ésima reflexão que contribui para a intensidade no ponto i. O termo não estrutural da Equação () é dado pela expressão [1] (Tompson et al, 1987): w = tj L f (3) Nessa expressão t é o passo do intervalo, j é o fator de multiplicidade, L é o fator Lorentz de polarização e f é a função que descreve a forma do perfil de difração. A função Pearson VII () foi utilizada para o ajuste das linas de difrações da amostra HC13 C500 6 e é definida por: w 1 m m 1 m1 0,5 m 1 (4) onde w é a metade da largura a meia-altura da lina experimental de difração, Ґ é a função gama e m é o parâmetro que regula o decaimento da forma do pico. Neste modelo, as larguras experimentais a meia-altura são dadas pela expressão: w ( U D ST ) tan V tan I W G (5) cos A função D st (α D ) tem diferentes expressões dependendo do modelo usado para acomodar as contribuições dos alargamentos decorrentes das deformações anisotrópicos do reticulado. Nesse estudo foi utilizado um modelo fenomenológico para ajustar as deformações de rede, baseado em uma forma quártica generalizada, em função dos índices de Miller (l), no espaço recíproco [11] (STEPHENS,1999).Os demais parâmetros da equação (5) têm o mesmo significado descrito anteriormente. O parâmetro mais usado para avaliar o ajuste entre y e y em cada passo, é o índice numérico R definido pela Equação 6: i ci 0,5 w i yi y R ci (6) WP wi yi WP.4 Correção dos Efeitos Instrumentais Para o refinamento do perfil das linas de reflexões do padrão LaB 6 foi utilizada a função pseudo- Voigt modificada por Tompson et al [1], também conecida como e definida por: ( x) nl( x) (1 n) G( x) 0 n 1 (7) Sendo que L(x) e G(x) são as funções Lorentziana e Gaussiana já normalizadas na unidade de área. O parâmetro de forma de perfil η é calculado pelo método [13] (YOUNG, 1993).A Tabela 1. indica a proporção das contribuições da Equações (8-9) para a largura a meia altura (w). A largura w da lina experimental do perfil da difração é calculada por meio de um polinômio do quinto grau nas variáveis w L e w G onde os alargamentos Gaussianos e Lorentzianos são dados por: 496

4 MOREIRA, E.L.; ARAUJO, J.C.; MORAES, V.C.A.; MOREIRA, A.P.D.; Revista Matéria, v. 1, n. 3, pp , 007. w 1 G U tan V tan W I (8) cos G w L X tan Y (9) cos Os parâmetros U e X contribuem para a medida dos alargamentos isotrópicos das linas de reflexão se devido aos efeitos das microdeformações. Analogamente os parâmetros I G e Y dão a contribuição decorrentes do efeito dos tamanos dos cristalitos. Os parâmetros V e W indicam as medidas das contribuições dos efeitos instrumentais. Todos esses parâmetros são refináveis. Uma vez obtida a largura w e o parâmetro η no arquivo de saída, as larguras integrais β são calculadas (em rad) pela expressão: w ( (1 )( ln ) (cos )( ) (10).5 Separação dos Parâmetros dos Alargamentos das Linas (00) e (300) O programa quando acionado o modelo traz um arquivo de saída contendo as larguras w e os parâmetros m das reflexões. Entretanto, não disponibiliza os alargamentos integrais. oram calculados os alargamentos das linas (00l), (00) pela Equação (4). Usando o parâmetro de Voigt Ф = w / e fazendo uma interpolação de dados da Tabela 1 [6] ( LANGORD,et al 1988) foram calculadas as frações / L e / G. Os alargamentos gl e gg do padrão nos mesmos ângulos das linas múltiplas da HC13 C500 6 foram obtidos usando a mesma metodologia. As equações para o cálculo dos alargamentos físicos e são dadas por: fl = L - fl gl (11) fg = { [ ] [ ] } 0.5 (1) fg G gg Com os pares (, fl fg definida em [3] (DE KEIJSER et al.,198). ), as larguras intrínsecas foram estimadas por meio da aproximação 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Análise Estrutural A igura 1 mostra o DRX da amostra HC13 em diferentes tempos de permanência à temperatura de 500 oc. Observa-se uma mudança notável no perfil de difração devido à crescente organização da rede cristalina com conseqüente diminuição da fase amorfa pelo tratamento térmico. 497

5 w g e g ( ) MOREIRA, E.L.; ARAUJO, J.C.; MORAES, V.C.A.; MOREIRA, A.P.D.; Revista Matéria, v. 1, n. 3, pp , 007. igura 1: Difração raio-x da amostra HC13. Na Tabela 1 são mostrados os valores dos parâmetros da função de resolução instrumental (). Os números entre os parênteses indicam os desvios padrão estimados. Tabela 1: Parâmetros da função de resolução instrumental do padrão LaB 6. Ux Vx10 4 Wx10 4 Xx10 4 Yx10 4 Z R wp (%) 79,1(5) 157,4(93) 105,3(38) 315,7(48) 54,9(19) 0,0 16,6 A igura mostra os alargamentos a meia-altura e integrais das reflexões do LaB 6 que descreve os efeitos das aberrações da ótica de difração. 0,4 0, LaB 6 0,0 0,18 Ref. Rietveld- g Ref. Rietveld-w g 0,16 0,14 0,1 0,10 0, ( 0 ) igura : Alargamentos wg e g em função de para o LaB6 ajustados pela Os resultados do refinamento da amostra HC13C5006 indicaram contrações dos parâmetros a e b e expansão do parâmetro c, devido à presença dos íons CO 3 - nos sítios do PO 4 3- (sítio B) e OH - (sítio A) 498

6 MOREIRA, E.L.; ARAUJO, J.C.; MORAES, V.C.A.; MOREIRA, A.P.D.; Revista Matéria, v. 1, n. 3, pp , 007. estando em concordância com os obtidos segundo LeGeros [14] com conseqüente diminuição do volume da célula unitária, conforme consta na Tabela. Verificou-se que após o tratamento térmico, em torno de 4% das posições do P (sítio B) e 1% do O4 (sítio A) passaram a ser ocupadas pelo carbono pertencente ao íon CO - 3. Os fatores ocupacionais (.O.) (Tabela ) apresentam razoável concordância com os da fase cristalina identificada como idroxiapatita (ICSD 6-04) [15]. Os desvios posicionais mais acentuados ocorreram no sítio do P decorrentes da substituição pelo grupamento carbonato. De acordo com a igura 1, observa-se no padrão de DRX que a região de θ entre 14 o e º apresenta um alargamento típico de fase amorfa, indicativo da falta de periodicidade atomica a longo alcance. Para o ajuste da radiação de fundo adotou-se o modelo de interpolação linear a partir de 11 pontos fixados arbitrariamente com valores de espalamento variável θ e a intensidade do "bacground" correspondente, seguido do refinamento individual destes pontos. oram refinados todos os parâmetros atômicos exceto a coordenada z do Ca1, cuja variação produziu instabilidade no refinamento. Os fatores ocupacionais dos átomos nos sítios A e B foram refinados de forma - complementar atendendo aos valores teóricos. O teor em peso de íons CO 3 estimado a partir do refinamento foi de 10,7 %, estando em concordância com o resultado de 1,8% obtido na DTP. Os parâmetros de deslocamentos térmicos foram ajustados isotropicamente. Quatro parâmetros da função de perfil variaram durante o refinamento, U, W, S 00 e S 004. Na Tabela 4 encontram-se os alargamentos (em graus) das linas puras, da amostra e os alargamentos das componentes Lorentzianas e Gaussianas do perfil experimental e puro do padrão (LaB 6 ) e da HC13C5006 para as linas múltiplas selecionadas. Tabela : Parâmetros estruturais da HAP e HC13C5006. HAP a(å) = 9,44(4) c(å) = 6,879(4) V(Å 3 ) = 59,1 Átomo x y z.o O1 0,384() 0,4848() 0,500 0,5 O 0,5873() 0,4651() 0,500 0,5 O3 0,3437() 0,579(1) 0,070 () 1,0 P 0,3987() 0,3658(1) 0,500 0,5 Ca1 0,3333 0,6666 0,0015(1) 0,3333 Ca 0,468() 0,9934(1) 0,500 0,5 O4 0,0 0,0 0,1950(7) 0,1666 HC13C5006 a(å) = 9,358(5) c(å) = 6,93(1) V(Å 3 ) = 55,1 R B =3,9 R wp = 9,40% Átomo x y z.o O (54) (65) (0) 0.500(0) O (68) (67) (0) 0.500(0) O (47) 0.619(48) (45) 0.875(0) P (35) (34) (0) 0.40(1) C(B) (437) (47) (0) 0.15(1) Ca (0) (0) (0) 0.333(0) Ca (4) (8) (0) 0.500(0) O (0) (0) (10) 0.157(8) C(A) (0) (0) (10) 0.00(8) 499

7 MOREIRA, E.L.; ARAUJO, J.C.; MORAES, V.C.A.; MOREIRA, A.P.D.; Revista Matéria, v. 1, n. 3, pp , Separação dos Parâmetros da Estrutura ina das Linas (00) e (300) A Tabela 3 mostra os alargamentos integrais calculados e o parâmetro de Voigt [6] (LANGORD,et al 1988) próximo ao limite Lorentziano. Tabela 3: Parâmetros calculados para as linas múltiplas (00) e (00l). l θº w (θº) m (θº) Ф Tabela 4: Parâmetros dos alargamentos integrais das famílias (00) e (300) calculados com o modelo para o ajuste do perfil Pearson VII. l θº L (θº) G (θº) gl (θº) gg (θº) fl (θº) fg (θº) (θº) Os dados da microestrutura da HC13C5006 das reflexões (00) e (300) foram obtidos através da técnica de HALDER-WAGNER [5] (1966) para a análise de linas múltiplas. Essa técnica consiste da linearização do gráfico dado pelos pares de pontos. 7 contra tan sen P tan (13) A interseção da reta de linearização com o eixo vertical é igualada ao produto 16 l e para dar uma estimativa do valor da microdeformação média aparente e l. A inclinação da reta é igualada a fração K= λ / L, onde K = 0.9, λ = Å, para obter uma estimativa do tamano médio aparente do cristalito L. Os valores para esses parâmetros da microestrutura encontram-se na Tabela 5. Tabela 5: Tamano aparente dos cristalitos e microdeformações de rede. L 00 = L 004 e 00 = e 004 L 300= L 600 e 300 = e Å Å Com os dados da Tabela 5 foi possível calcular o índice de anisotropia da HC13C5006, L 00 / L , que é indicativo de morfologia equiaxial compatível com o tratamento térmico à que a amostra foi submetida. A igura 3 mostra comparativamente o perfil de difração observado e calculado obtido pelo refinamento da amostra HC13C

8 MOREIRA, E.L.; ARAUJO, J.C.; MORAES, V.C.A.; MOREIRA, A.P.D.; Revista Matéria, v. 1, n. 3, pp , 007. igura 3: Intensidades observadas Yobs,calculadas pelo modelo, Ycalc e a diferença do perfil, Yobs- Ycalc. 4 CONCLUSÕES As modificações nas condições de precipitação de nanocristais de idroxiapatitas carbonatadas e o aumento expressivo de íons carbonato disponíveis à substituição estrutural resultaram na formação de um sólido aparentemente amorfo, que após o tratamento térmico, apresentou elevada cristalinidade verificada pela análise de DRX. A fase amorfa ainda presente foi ajustada satisfatoriamente com o uso da interpolação linear para o bacground. O refinamento dos parâmetros ocupacionais indicou a presença de carbonato nos sítios A e B, avendo maior incidência no sítio do fosfato. Portanto, o método de Rietveld pode ser usado para obter estimativas razoáveis na quantificação de substituintes na estrutura da HAP. Os parâmetros a e c obtidos para a célula unitária da amostra estudada concordam com os dados da literatura referente à carboapatitas do tipo A e B com 1,8% do grupamento carbonato. O cálculo dos tamanos médios dos cristalitos nas direções ortogonais aos planos (00) e (300) indicou morfologia equiaxial. Variações posicionais foram verificadas notadamente na coordenada z do O4 e na coordenada y do C (Sítio B), o que pode ser atribuído às deformações na rede provocadas pela presença do íon carbonato nos sítios A e B. 5 BIBLIOGRAIA [1] BAIG, A.A., OX, J.L., YOUNG, R.A., WANG, Z., HSU, J., HIGUCHI, W.I., CHHETTRY, A., ZHUANG, H., OTSUKA, M., Relationsips among carbonated apatite solubility, crystallite size and microstrain parameters, Calcified Tissue International, v. 64, pp , [] CAGLIOTI, G., PAOLETTI, A., RICCI,.P., Introduction to te Rietvel Metod, 1957, In: YOUNG, R.A., Te Rietveld Metod, Oxford University Press, pp. 8, [3] DE KEIJSER, T.H., LANGORD, J.I., MITTEMEIJER, E.J., VOGELS, A.B.P., Use of te voigt function in a single line metod for te analysis of x ray diffraction line broadening, Journal of Applied Crystallograpy, v. 15, n. 3, pp , 198. [4] EATHERSTONE, J.D.B., SHIELDS, C.P., KHADERAZAD, B., OLDERSHAW, M.D., Acid reactivity of carbonated apatites wit strontium and fluoride substitutions, Journal of Dental Researc, v. 6, pp , [5] HALDER, N.C., WAGNER, N.J., Separation of particle size and lattice strain in integral breadt measurements, Acta Crystallograpica, v. 0, pp. 31,

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