BIOCERÂMICAS PARA IMPLANTES BUCO-MAXILO-CRÂNIO-FACIAL CIMENTOS DE FOSFATO DE CÁLCIO

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1 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 1 BIOCERÂMICAS PARA IMPLANTES BUCO-MAXILO-CRÂNIO-FACIAL CIMENTOS DE FOSFATO DE CÁLCIO C. V. Leal (1) ; M. Motisuke (2) ; C. S. Lambert (3) ; C. A. C. Zavaglia (4) C. P. 6122, , Campinas (SP), Brasil, claudi@fem.unicamp.br (1, 2,4) Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas (3) Instituto de Física, Universidade Estadual de Campinas RESUMO A necessidade de novos materiais capazes de restaurar problemas ósseos cresce a cada dia. Os cimentos ósseos a base de fosfato de cálcio são materiais cerâmicos que apresentam boa biocompatibilidade devido a sua composição química semelhante à dos ossos, e, boa bioatividade, promovendo a osteocondução. Cimentos ósseos de fosfato de cálcio consistem de um pó e um líquido. O pó pode ser composto por um ou vários fosfatos de cálcio, outros sais de cálcio e certos aditivos orgânicos. Por sua vez, o líquido pode ser soluções aquosas de compostos de cálcio ou fosfato, podendo também conter aditivos orgânicos. Após serem misturados formam uma pasta que endurece espontaneamente à temperatura ambiente ou corporal. O objetivo deste presente trabalho é a obtenção e a caracterização do β-tricálcio Fosfato e Tetracálcio Fosfato (TTCP), materiais cerâmicos que, posteriormente, serão utilizados na composição de cimentos ósseos a base de fosfato de cálcio. Palavras-chaves: biocerâmicas, biomateriais, tetracálcio fosfato, β-tricálcio fosfato, cimentos ósseos. INTRODUÇÃO 1 - Biomateriais Os biomateriais podem ser definidos como substâncias de origens naturais ou sintéticas que são toleradas de forma transitória ou permanente pelos diversos tecidos que constituem os órgãos dos seres vivos. Eles são utilizados como um todo ou parte de um sistema que trata, restaura ou substitui algum tecido, órgão ou função do corpo, ou ainda como um material não viável utilizado em um dispositivo

2 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 2 médico, com intenção de interagir com sistemas biológicos (1). O estudo de biomateriais envolve o entendimento das propriedades, funções e estruturas dos materiais biológicos, dos materiais sintéticos e da interação entre eles (2 ). Para que um material possa ser classificado como biomaterial devem ser satisfeitas algumas características fundamentais: Biocompatibilidade, ou seja, o material implantado e seus produtos de degradação devem ser tolerados pelos tecidos envoltórios e não devem causar disfunções no organismo, ao longo do tempo; O material deve ser quimicamente inerte e estável; Biofuncionalidade, ou seja, o material deve atender às características mecânicas necessárias para cumprir a função desejada, pelo tempo que for necessário; O material deve ser de fácil esterilização; A escolha de um biomaterial envolve, além das características já citadas, a sua melhor adaptação à determinada aplicação e o seu custo de produção. 2 Biomateriais Cerâmicos O gesso (CaSO 4.1/2H 2 O) foi, em 1894, a primeira cerâmica utilizada como biomaterial para substituir ossos (3). Porém, esse material apresenta uma resistência mecânica muito baixa e é completamente reabsorvido pelo organismo, resultando em uma rápida fragmentação e degradação, sua utilização como biocerâmica implantável foi logo descartada. A década de 70 marcou o início do uso mais intenso de materiais cerâmicos com propriedades que possibilitam a sua classificação como biocerâmicas. Inicialmente, esperava-se que as biocerâmicas provocassem pouca ou nenhuma reação no tecido, características destes materiais em meios agressivos. Mas o desenvolvimento do conhecimento na área dos biomateriais gerou uma nova proposta: as biocerâmicas deveriam provocar reações de formação de tecido e, se possível, com a formação de uma ligação íntima entre estas e os tecidos. A primeira biocerâmica com uso muito difundido até hoje é a alumina densa (α- Al 2 O 3 ), que se apresenta como bioinerte. Este material, devido a sua boa biocompatibilidade e elevada resistência mecânica, vem sendo usado em próteses ortopédicas que substituem ossos ou parte deles que são submetidos a esforços elevados (1,4). As propriedades dos materiais cerâmicos são, em geral: elevada

3 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 3 dureza, baixa condutividade térmica e elétrica, estabilidade dimensional e de forma, quimicamente inerte, refratariedade, fragilidade, alto ponto de fusão, resistência mecânica, à corrosão e ao desgaste e baixa tenacidade à fratura. 3 Cerâmicas de Fosfato de Cálcio (5) Em função das cerâmicas de fosfato de cálcio serem formadas basicamente de íons fosfato e cálcio, estas podem participar ativamente do equilíbrio iônico entre o fluido biológico e a cerâmica, pois possuem composição química muito semelhante à fase mineral dos ossos e esmalte de dentes. Sendo assim, apresentam um perfil biológico altamente atrativo, que inclui ausência de toxidade local ou sistêmica, ausência de resposta inflamatória ao implante, ausência da formação de um tecido fibroso envoltório, grande habilidade de ligar-se diretamente ao osso, conseguindo fornecer um grau de integridade estrutural a fim de manter o implante no lugar e intacto até que o novo osso cresça, estimula o crescimento de um novo osso e é solúvel podendo ser reabsorvido pelo organismo permitindo que o novo osso substitua o implante. A propriedade mais importante destes compostos é a sua solubilidade, pois, assim, o comportamento de um implante de fosfato de cálcio pode ser premeditado. Logo, se a solubilidade de um fosfato de cálcio é menor que a parte mineral do osso, então este irá degradar com uma velocidade pequena. Quase todos os estudos realizados com fosfatos de cálcio mostraram uma resposta muito positiva in vivo. Blocos e grãos de HA vêm sido estudados extensivamente como implantes ortopédicos e dentários em animais, incluindo primatas, cachorros, coelhos e ratos. Os resultados são satisfatórios sem nenhum relato de respostas adversas. A biodegradação dos fosfatos de cálcio é dependente da sua composição química/ cristalina e do meio fisiológico que será submetido. Existem dois tipos de reabsorção biológica, a primeira é devida à solubilidade do implante ao meio fisiológico e a segunda devida à fagocitose sofrida pelo implante. O fosfato de cálcio mais reabsorvível é o tricálcio fosfato (TCP). A forma mais utilizada de classificação destes materiais é de acordo com sua razão Ca/P que pode variar de 0,50 a 2,00, alguns exemplos estão nas tabelas I e II.

4 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 4 Tabela I - Compostos de fosfato de cálcio sintetizados por precipitação em meio aquoso (5) FOSFATOS DE CÁLCIO FÓRMULA CA/P SÍMBOLO Diidrogenofosfato de cálcio monoidratado Ca(H 2 PO 4 ) 2.H 2 O 0,50 MCPM Hidrogenofosfato de cálcio (monetita) CaHPO 4 1,00 DCP Hidrogenofosfato de cálcio dihidratado CaHPO 4.2H 2 O 1,00 DCPD (brushita) Fosfato octacálcico Ca 8 H 2 (PO 4 ) 6.5H 2 O 1,33 OCP Hidroxiapatita precipitada Ca 10-x (HPO 4 ) x (PO 4 ) 6-x (OH) 2-x 1,50-1,67 PHA Fosfato de cálcio amorfo n= 3-4,5 ; 15-20% H 2 O Ca 3 (PO 4 ) 2.nH 2 O 1,50 ACP Tabela II - Compostos de fosfato de cálcio sintetizados por decomposição ou síntese térmica (5) FOSFATOS DE CÁLCIO FÓRMULA CA/P SÍMBOLO Diidrogenofosfato de cálcio Ca(H 2 PO 4 ) 2 0,50 MCP α-fosfato tricálcio α-ca 3 (PO 4 ) 2 1,50 α-tcp β-fosfato tricálcio β-ca 3 (PO 4 ) 2 1,50 β-tcp Hidroxiapatita Ca 5 (PO 4 ) 3 OH 1,67 HA Fosfato tetracálcio Ca 4 (PO 4 ) 2 º 2,00 TTCP MATERIAIS E MÉTODOS O presente trabalho divide-se em três partes. 1 - Obtenção β-tricálcio Fosfato (β-tcp): O seguinte método foi utilizado (6) : - Foram misturados CaO e água destilada em balão de vidro com agitação magnética constante para obtenção de hidróxido de cálcio, Ca(OH) 2 : CaO + H 2 O Ca(OH) 2 - À solução obtida de Ca(OH) 2 foi adicionado ácido fosfórico, H 3 PO 4, 0,4M para a formação de hidroxiapatita deficiente de cálcio (HADC): 9 Ca(OH) H 3 PO 4 Ca9(HPO 4 )(PO 5 )OH + 17H 2 O - Posteriormente o composto foi filtrado, seco em estufa e calcinado a 1120 C, obtendo-se assim o β-tcp: Ca 9 (HPO 4 )(PO 5 )OH 3Ca 3 (PO 4 ) 2 + H 2 O 2 - Obtenção do Tetracálcio Fosfato (TTCP): O TTCP foi obtido pela seguinte reação: 4 CaCO NH 4 H 2 PO 4 Ca 4 (PO 4 ) 2 O + 2 NH CO H 2 O. Sendo que o seguinte método foi empregado: Cada reagente, em proporção molar 2:1, foi dissolvido separadamente em água destilada e depois ambos misturados sob agitação magnética durante 2 horas. A solução resultante foi deixada em repouso em estufa até toda que a água

5 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 5 evaporasse. O pó resultante foi colocado em cadinhos de alumina e calcinado à temperatura de 1360º C durante 6 horas, partindo o forno da temperatura de aproximadamente 850º. Após a calcinação, a amostra recebeu resfriamento brusco sendo que os cadinhos foram colocados sobre uma placa de aço à temperatura do laboratório. 3 Analise Físico-Química dos materiais Distribuição Granulométrica A distribuição granulométrica dos pó de TTCP e β-tcp foi determinada com o aparelho Mastersizer da Malvern, modelo S-MAM 5005, utilizando álcool isopropílico como meio de dispersante, sendo que o tamanho das partículas é determinado por espalhamento de luz (laser, λ = 488nm). Esse método é utilizado para partículas com diâmetros entre 0,5µm até 350µm Difração de Raios-X Esta técnica de caracterização permite obter informações detalhadas sobre dimensões, presença de defeitos e orientação da rede cristalina. O uso de raios-x no estudo de cristais deve-se ao fato de que esta radiação tem comprimento de onda próximo aos valores de distâncias entre planos cristalinos. Foi utilizado o equipamento da marca Rigaku, modelo DMAX 2200, com radiação de CuKα, filtro de Ni, 20kV, 40mA. O intervalo angular utilizado (2θ) foi de 20 a 40, com velocidade de 3.min Microscopia Eletrônica de Varredura A análise por microscopia eletrônica de varredura é um processo muito versátil, pois revela informações sobre a composição, tipo de grãos e fases presentes de uma grande variedade de amostras. Essa versatilidade é devida à interação entre um feixe de elétrons e a amostra. O equipamento utilizado para caracterização dos materiais foi o Microscópio Eletrônico de Varredura marca LEO, modelo LEO 440I. A preparação de amostras em forma de pó utiliza fitas adesivas de dupla face. O pó é colocado sobre um pedaço de fita, retirando-se o excesso. Quando o material a ser observado não é condutor, como os cerâmicos, é necessário realizar uma metalização ( sputtering ) com a deposição de uma camada de ouro para que estas se tornem condutoras. Para metalizar as amostras utilizamos o aparelho Sputter Coater, marca BAL-TEC, modelo SCD 050.

6 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 6 RESULTADOS E DISCUSSÕES 1 Síntese e Caracterização do β-tcp Na síntese do β-tcp, verificou-se que a quantidade de ácido fosfórico, H 3 PO 4, adicionado é determinante para a formação de uma fase mais pura de β-tcp. Isso pode ser comprovado pela análise dos difratogramas apresentados nas figuras 1, 2 e 3. Quando a adição de H 3 PO 4 ocorre em excesso, há a formação de hidroxiapatita, HA. Porém, quando o ácido fosfórico é adicionado em menor quantidade, ocorre a formação de pirofosfato de cálcio, Ca 2 P 2 O 7. Assim, para que a fase de β-tcp formada seja a mais pura possível, deve-se adicionar 1L de solução de H 3 PO 4 quando a concentração for de 0,4 mol.l -1, sendo após o preparo da solução, a concentração da mesma deve ser determinada por meio de titulação potenciométrica. Figura 1 - Difratograma de Raios-X de β-tcp em pó: o: β-tcp; : Hidroxiapatita, excesso de H3PO4 Figura 2 - Difratograma de Raios-X de β-tcp em pó: o: β-tcp; : Ca2P2O7, falta de H3PO4.

7 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 7 Figura 3 - Difratograma de Raios-X de β-tcp não há formação de Hidroxiapatita e Ca 2 P 2 O 7 A análise granulométrica do β-tricálcio fosfato após moagem em moinho de jarros com bolas de zircônia e alumina como meio de moagem durante 6 horas apresentou um diâmetro médio de 5,82 µm, sendo que a grande maioria (90% em volume) está compreendida abaixo da faixa de 35,5 µm, evidenciando uma distribuição irregular dos grãos como pode-se observar nas figuras 4 e 5. Figura 4 - Distribuição Granulométrica do β-tcp

8 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 8 Figura 5 - Micrografia Eletrônica de Varredura do β-tcp em pó com aumento de vezes 2 Síntese e Caracterização do TTCP Na síntese do TTCP, a temperatura inicial do forno utilizado para a calcinação é o que determina a formação de TTCP como fase majoritária. Ou seja, quando o forno parte da temperatura ambiente, ocorre a formação de hidroxiapatita, porém partindo de uma temperatura de cerca de 850 o C, a fase majoritária formada é o TTCP, conforme os difratogramas apresentados nas figuras 6 e 7. Figura 6 - Difratograma de raios-x da HA obtida partindo da temperatura ambiente.

9 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 9 Figura 7 - Difratograma do TTCP obtido com o forno partindo da temperatura de 850 C. O aparecimento da fase HA em ambos os métodos pode apresentar duas explicações: 1. A reação formação do TTCP que ocorre com a formação de HA por meio das reações (8) : 2NH 4 H 2 PO 4 + 4CaCO 3 CaO + β-ca 3 (PO 4 ) 2 + 2NH 3 + 3H 2 O + 4CO 2 A segunda reação só é possível uma vez que o CaO absorve a água da atmosfera transformando-se em Ca(OH) 2 : 3β-Ca 3 (PO 4 ) 2 + 3Ca(OH) 2 Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + CaO + 2H 2 O Assim, forma-se o TTCP: Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + CaO 3Ca 4 P 2 O 9 + H 2 O 2. O choque térmico foi realizado a atmosfera, o que pode levar a absorção de água e a formação de HA. Estudos realizados com atmosferas inertes mostraram a formação de um TTCP puro (2). Em comparação com outros métodos empregados na síntese do TTCP (2), o método empregado neste projeto, dá origem a um material de maior cristalinidade, isso é comprovado pela observação da maior intensidade e menor largura dos picos apresentados no difratograma da figura 3. Esta maior cristalinidade pode ser explicada por uma menor reatividade dos componentes envolvidos na reação, que evita a formação de uma fase líquida (amorfa) durante a sinterização do TTCP. A granulometria do TTCP após moagem em moinho de jarros com bolas de zircônia como meio de moagem durante 2 horas apresentou um diâmetro médio de 6,37 µm, apresentando uma distribuição entre 0,08 a 41,43 µm, sendo que a grande maioria (90% em volume) está compreendida abaixo da faixa de 17,7 µm, mostrando

10 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 10 uma distribuição não muito regular dos grãos, como mostrado na figura 8. Uma granulometria muito pequena não garante um aumento nas propriedades mecânicas do cimento (9), além de levar a uma maior relação pó/líquido necessária para a síntese de uma pasta de consistência adequada para a síntese do cimento. A micrografia eletrônica de varredura da figura 9 mostra que os grãos estão interligados e com tamanhos não tão uniformes. Figura 8 - Distribuição Granulométrica do TTCP Figura 9 - Micrografia Eletrônica de Varredura do TTCP com aumento de vezes CONCLUSÕES Com os métodos descritos neste trabalho foi possível obter β-tricálcio fosfato e do tetracálcio fosfato com boa qualidade para a posterior utilização na síntese de cimentos ósseos a base de fosfatos de cálcio. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

11 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR WILLIANS, D.F. Definitions in Biomaterials, Progress in Biomedical Engineering, vol. 4, SANTOS, L.A. Desenvolvimento de Cimento de Fosfato de Cálcio Reforçado por Fibras para Uso na área Médico-Odontológica, Tese de Doutorado, FEM-UNICAMP, Brasil Dreesman, H Veber Knochemplomberiung. Beitr. Klin. Chir., vol.9, pp , KAWACHI, E.I., BERTRAN, C.A., REIS, R.R., ALVES, O.L.; Biocerâmicas: Tendências e Perspectivas de uma Área Interdisciplinas, Química Nova, 23(4), pp , VANDERSCHOOT, P.; Treatment Options and Development of a Vertebral Replacement Implant. Tese de Doutorado, Universidade Católica de Leuven, Holanda, CARRODEGUAS, R.G., ALONSO, L.M., GARCÍA-MENOCAL, J.A.D., ALONSO, L.M., MOLINS, M.P.G., MANENT, S.M., MUR, J.G., PÉREZ, J.T., ESTANY, J.A.P.; Hydrothermal Method for Preparing Calcium Phosphate Monoliths, Material Research, Vol.6, Nº3, CARRODEGUAS, R.G. Cementos Óseos de Fosfatos de Cálcio. Tesis de Doctorado, Centro de Biomateriales-Universidad de la Habana. Habana, Cuba, SARGIN, Y.; KIZILYALLI, M.; TELLI, C.; GÜLER, H.; A New Method for the Solid-State Synthesis of Tetracalcium Phosphate, a Dental Cement: X-Ray Powder Diffraction and IR Studies; Journal of the European Ceramic Society; n 17; pp ; CHOW, L. C.; TAKAGI, S.; A Natural Bone Cement A Laboratory Novelty Led to the Development of Revolutionary New Biomaterial; Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology; vol. 106, n 6; pp ; CALCIUM PHOSPHATE CEMENT BIOCERAMICS FOR MAXILLA-FACIAL IMPLANTS

12 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 12 ABSTRACT There is nowadays an increasing need of new materials for bone repair and reconstruction. Among these, calcium phosphate bone cements (CPCs) are ceramic compounds that exhibit a series of advantages for use in orthopedics and traumatology: they are biocompatible, bioactive and allow for osteoconduction. Because of this it is possible to use these materials as bone implants and fillers. Calcium phosphate bone cement consists of a powder and a liquid. The powder can be composed of one or more calcium phosphates, other calcium salts and certain organic additives. In turn, the liquid phase can be composed of water or aqueous solutions that also can contain certain organic additives. When mixed, the powder and the liquid form a paste that hardens spontaneously at room or body temperature. The main purpose of this work was the synthesis and characterization of β-tricalcium Phosphate (β-tcp) and Tetracalcium Phosphate (TTCP), as important ingredients of CPC powders. Key words: bioceramics, biomaterials, tetracalcium phosphate, β-tricalcium phosphate, bone cements.