SINTESE E CARACTERIZAÇÃO DA HIDROXIAPATITA PELO MÉTODO SOL-GEL

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1 1 SINTESE E CARACTERIZAÇÃO DA HIDROXIAPATITA PELO MÉTODO SOL-GEL Radharani de Melo Serafim FERREIRA; Wladymyr Jefferson B. de SOUSA 2 ; Pedro Tardelly Diniz FILGUEIRA 3 ; Rosemberg Cardoso BARBOSA 4 1. Aluna do Curso de Engenharia de Materiais da UFCG. radhi.melo@hotmail.com 2. Doutorando do curso de Pós-Graduação em Ciências e Engenharia de Materiais da UFCG wladymyr@yahoo.com.br 3. Aluno especial do Mestrado em Engenharia de Materiais da UFCG. pedrotardelly@gmail.com 4. Pós-Doutorando em Ciências e Engenharia de Materiais da UFCG. rcbvet@gmail.com RESUMO: No osso, a matriz é composta por, aproximadamente, 25% de água, 25% de proteínas fibrilares e 50% de sais minerais cristalizados na forma de hidroxiapatita. Esta pode ser sintetizada em laboratório e é um dos materiais mais importantes usado na área dos biomateriais. O avanço nas pesquisas de biomateriais permitiu desenvolver materiais que atendessem às necessidades do corpo de forma a auxiliar nos processos reconstrutivos, incrementando tratamentos e melhorando a qualidade de vida dos seres humanos, podendo assim, ajudar em casos de doenças ou acidentes que haja perda óssea. Desta forma o objetivo dessa pesquisa foi sintetizar hidroxiapatita pelo método sol-gel. A hidroxiapatita obtida foi caracterizada para identificação da sua fase cristalina por Difração de raios X, estudo morfológico de superfície por Microscopia de Eletrônica de Varredura e de composição química por Espectroscopia por Energia Dispersiva de Raios X. Por meio do ensaio de Difração de raios X foi possível identificar que o material obtido apresentou 76% da fase hidroxapatita, já nos resultados de Microscopia de Eletrônica de Varredura foi possível identificar uma heterogeneidade no pó de hidroxiapatita com partículas de tamanhos e formas variados. Nos resultados de Espectroscopia por Energia Dispersiva de Raios X constatou-se a presença dos elementos O, Ca e P característicos fosfato de cálcio. Baseado nos resultados pode concluir que o método sol-gel foi eficaz e pode ser reproduzido para obtenção de Hidroxiapatita e esta possivelmente possa ser utilizada no meio biológico como biomaterial. Palavras-Chave: Biomaterial. Fosfato de cálcio. Biocerâmica. ABSTRACT: Bone is a specific type of connective tissue that contains abundant intercellular material, which involves widely spaced cells. In bone, the intercellular matrix is composed of approximately 25% water, 25% fibrillar protein and 50% crystallized minerals in the form of hydroxyapatite.this hydroxyapatite is one of the major materials used in the field of biomaterials and may be synthesized in laboratory. Its chemical formula is [Ca10 (PO4) 6OH2] and is a hydrated calcium phosphate, bioactive and biocompatible since it presents a positive response in terms of adhesion and proliferation from different cell types.advances in biomaterials research allowed to develop materials that could meet the body's needs in order to assist reconstructive processes, improving treatments, improving the quality of human lives, and can thus help in cases of illness or accidents that causes bone loss. Therefore the purpose of this research was to synthesize hydroxyapatite by solgel method. Hydroxyapatite found was characterized order to identify its crystalline phase by X-ray diffraction, surface morphological study by Electronic Microscopy Scanning and chemical composition by Spectroscopy and by Energy Dispersive X-Ray. Through the testing of X-ray diffraction it was identified that the obtained material showed 76% of hidroxapatita phase, and in the results of Scanning Electronic Microscopy was possible to identify heterogeneity in the hydroxyapatite powder with various particle sizes and shapes. The results of energy dispersive spectroscopy X-ray showed the presence of the elements: O, Ca and P. They are characteristics of calcium phosphate. Based on the results it can be concluded that the sol-gel method is effective and can be reproduced for obtaining hydroxyapatite that are possibly be used as a biomaterial in a biological environment. Keywords: Biomaterial. Calcium phosphate. BioCeramics.

2 2 INTRODUÇÃO O tecido ósseo é uma forma especializada de tecido conjuntivo, onde a matriz extracelular e mineralizada, composta por 67% de componentes inorgânicos, que tem como principal componente cristais de hidroxiapatita, que tem a função de rigidez, porém mantém algum grau de elasticidade (TEM, 1998). O tecido ósseo possui uma alta capacidade de reparação espontânea quando lesionado, repondo logo após um pequeno intervalo de tempo, toda a porção perdida (TAGAR, 1997). No entanto, em alguns casos, onde os mesmos não têm a capacidade de se repararem espontaneamente, há a necessidade de se utilizar diversas técnicas cirúrgicas, na tentativa de reparação da deficiência óssea (RESTREPO, 1998). Os materiais que são produzidos para tenta reparar o tecido ósseo são denominados de biomateriais, que nos últimos anos, tem despertado interesse de muitos pesquisadores para o desenvolvimento de materiais sintéticos ou artificiais com propriedades físico-químicas, biológicas e mecânicas semelhantes ao tecido ósseo. Nas condições que possam substituir, de forma apropriada, os ossos danificados ou reconstituí-los, minimizando processos inflamatórios ou qualquer tipo de reação indesejável ao corpo. E esses não devem alterar o meio biológico (PARK, LAKES, 2007). Entre os biomateriais, os biocerâmicos, por muitos anos, são os que têm melhor resultado na utilização in vivo e in vitro, possibilitando a formação de novos tecido. Os quais podem ser incorporados em meio biológico afetados por acidentes ou doenças. Sendo esses utilizados com frequência em cirurgias ortopédicas e odontológica, buscando minimizar traumas e doenças ósseas que possam surgir (LEGEROS, 2002). Dentre as biocerâmicas, os fosfatos de cálcio estão entre os principais materiais estudados e empregados como biomateriais para a reposição e regeneração óssea, pois apresenta características como: semelhança com a fase mineral óssea, dentária e de tecidos calcificados; biocompatibilidade; bioatividade; ausência de toxicidade; osteocondutividade e também permitirem a proliferação de células ósseas, proteínas e colágeno em suas superfícies, possibilitando desta forma a regeneração tecidual (SOUSA, 2012). Dentre os fosfatos de cálcio, a hidroxiapatita (HAp) é a mais utilizada entre os biomateriais e está presente em ossos e dentes, representando 5% do peso total de um indivíduo adulto. Representa 55% da composição de ossos, 96% da composição do esmalte

3 3 dentário e 70% da dentina (GUASTALDI e APARECIDA, 2010). Uma das propriedades mais importantes da HAp é a capacidade de substituição catiônica e aniônica possibilitando-a incorporar cerca de 50% da tabela periódica, atuando como reserva de cálcio e fósforo e regulador de íons nos líquidos corporais. Tais substituições afetam as propriedades da HAp, como a cristalinidade, os parâmetros de rede, as dimensões dos cristais, a estabilidade, a solubilidade e a velocidade de degradação(guastaldi e APARECIDA, 2010)Pode ser utilizada como: biossensor, por ter excelente capacidade para adsover biomoléculas; para remover metais pesados de água e solos contaminados, assim como dejetos industriais; utilizada para evitar perda óssea (COSTA apud MA, 1995). Baseado no exposto essa pesquisa teve como objetivo observar a eficiência do método sol-gel para obtenção de hidroxiapatita, com a utilização de precursores alternativos como o Pentóxido de Fósforo e Nitrato de Cálcio Tetrahidratado. METODOLOGIA A pesquisa foi desenvolvida no Laboratório de Avaliação e Desenvolvimento de Biomateriais do Nordeste/Universidade Federal de Campina Grande Unidade Acadêmica de Engenharia de Materiais Campina Grande - PB. Materiais Nitrato de Cálcio Tetrahidratado - Ca(NO 3 ) 2.4H 2 O; Pentóxido de Fósforo - O 10 P 4 e Álcool Etílico Absoluto - C 2 H 6 O. Métodos Síntese química Inicialmente 19,73 g de Nitrato de Cálcio Tetrahidratado foram pesados e adicionados em um becker contendo 50mL de álcool etílico absoluto; e 3,55 g de Pentóxido de Fósforo foram pesados e adicionados em um becker contendo 50mL de álcool etílico absoluto. As soluções de Nitrato de Cálcio Tetrahidratado e Pentóxido de Fósforo foi submetidas à

4 4 agitação magnética separadamente até solubilizar. Em seguida, adicionou a solução de Pentóxido de Fósforo, a solução de Nitrato de Cálcio Tetrahidratado em um becker de 250 ml sob agitação constante, a temperatura de 80 o C. Colocou-se um vidro relógio sobre o becker, deixando parte descoberta para permitir evaporação do solvente até formação do pó. Em seguida, o pó foi colocado em estufa a uma temperatura de 80ºC por 24 horas. Posteriormente foi calcinado a 900 C com rampa de 10ºC/min, por 2 horas. Após a calcinação o mesmo foi submetido a caracterização por Difração de raios X, Microscopia Eletrônica de Varredura e Espectroscopia por Energia Dispersiva de Raios X. Difração de Raios X DRX A Difração de Raios X é um fenômeno de espalhamento da radiação eletromagnética, provocada pela interação entre o feixe de raios X incidente e os elétrons dos átomos componentes de um material. Esta técnica é usada para se obter informações estruturais importantes sobre a cristalinidade de um composto qualquer. A principal aplicação da difração de raios X refere-se a identificação de compostos cristalinos, sejam eles orgânicos ou inorgânicos (KAHN, 2011). Os planos de difração e suas respectivas distâncias interplanares, bem como a densidade dos átomos (elétrons) ao longo de cada plano cristalino, são características específicas e únicas de cada substância cristalina, da mesma forma que o padrão difrato métrico por ela gerado (equivalente a uma impressão digital). Um banco de dados contendo informações cristalográficas básicas e algumas propriedades físicas de compostos cristalinos são mantidos e continuamente atualizado pelo International Center for Diffraction Datta, com sede nos EUA (ICDD). Atualmente, são disponíveis informações referentes a mais de compostos cristalinos, sendo que os mais importantes, para fins de identificação de um composto cristalino, são as distâncias interplanares e as intensidades difratadas normalizadas (relativas a 100%) para os vários planos que difratam construtivamente os raios X (KAHN, 2011). As análises de difração de raios X foram conduzidas a temperatura ambiente em aparelho XRD-6000 Shimadzu, utilizando radiação K do cobre (1,5418 Å), tensão de 40 kv e corrente 30 ma. As amostras foram examinadas em um intervalo de 2 entre 5,0 e 70,0 graus a uma velocidade de 1 /min.

5 intensidade (u.a) 5 Microscopia Eletrônica de Varredura MEV e Espectroscopia por Energia Dispersiva de Raios X (EDS) A microscopia eletrônica foi utilizada para obter informação morfológica e topográfica das amostras. O ensaio foi realizado no aumento de 1000x. O EDS é um aparelho no qual os elementos químicos presentes numa amostra podem ser identificados através do espectro de raios X emitido pela amostra. O diâmetro reduzido do feixe permite a determinação da composição mineral em amostras de tamanhos muito reduzidos (< 5 μm), permitindo uma análise quase que pontual. O ensaio foi realizado no aumento de 1000x (o ensaio foi realizado no mesmo local onde foram retiradas as micrografias) (PADILHA; AMBROZIO FILHO, 2004). RESULTADOS E DISCUSSÃO DIFRAÇÃO DE RAIOS X No Gráfico 1, observa-se o difratograma de raios x da hidroxiapatita obtida pelo método sol-gel. Gráfico 1 No difratograma de raio x da hidroxiapatita obtida pelo método sol-gel HA_Sol_Gel ( ) FONTE: Própria

6 6 Através dos padrões de difração foi possível identificar a presença das fases cristalinas de Hidroxiapatita em uma quantidade de 76%, com simetria hexagonal e grupo espacial P63/m (CALCULATE,1997) e o fosfato de cálcio em uma quantidade de 24%, com simetria romboédrica e grupo espacial R3C (CALCULATE,1997 e DICKENS; SCHROEDER; BROWN, 1974) MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA/ ESPECTROSCOPIA POR ENERGIA DISPERSIVA DE RAIOS X Na imagem 1, observa-se a micrografia da hidroxiapatita sol- gel e a Figura 3 o resultado de EDS do pó da hidroxiapatita. Imagem 1 Micrografia para hidroxiapatita obtida pelo método sol-gel. FONTE: Própria Na micrografia referente ao pó da apatita, com uma ampliação de 1000x foi possível perceber uma heterogeneidade na estrutura do fosfato (morfologicamente há homogeneidade os cristais apresentam formatos irregulares). Por sua vez, os resultados das micrografias mostram que as partículas estão agrupadas na forma de aglomerados estes resultados corroboram os estudos de Oliveira et al. (2009).

7 7 O tamanho e a forma da partícula do biomaterial exercem influência significativa na resposta inflamatória e na formação óssea. As partículas de HAp a serem utilizadas como biomaterial não devem apresentar formato pontiagudo (agulhas), pois não é um ambiente propício ao crescimento de células ósseas. É preferível que as partículas tenham formato regular e superfície lisa (DALAPICULA et al, 2006). Gráfico 2- EDS e Percentual de Massa da Hidroxiapatita obtida pelo método sol-gel FONTE: Própria Ao analisar o espectro de EDS, constatou-se a presença dos elementos O, Ca e P característicos fosfato de cálcio corroborando com KAYALI; GOLLER e AKIN, (2011). CONCLUSÕES Baseado nos resultados pode-se concluir que foi possível obter, pelo método sol-gel, um fosfato de cálcio com 76% da fase hidroxiapatita. Além disso, pode-se afirmar que a técnica de DRX foi eficaz para identificação desta fase. FONTE DE FINANCIAMENTO CAPES CERBIO - UFCG REFERÊNCIAS CALCULATED from ICSD using POWD-12++, (1997)

8 8 COSTA,A.C. F. M.; LIMA, M. G.; LIMA, L. H. M. A.; CORDEIRO, V. V.; VIANA, K. M. S.; SOUZA, C. V.; LIRA, H. L. Hidroxiapatita: Obtenção, caracterização e aplicações. Revista Eletrônica de Materiais e Processos, v.4.3 (2009) 29-38, aceito em 18/11/2009 DALAPICULA, S. S.; VIDIGAL JR., G. M.; CONZ, M. B.; CARDOSO, E. S.; Características físico-químicas dos biomateriais utilizados em enxertias ósseas - Uma revisão crítica. ImplantNews. Vol. 3, No. 5, pg , DICKENS, B., SCHROEDER, L.W., BROWN, W.E., J. Solid State Chem., 10, 232, (1974) GUASTALDI, A. C., APARECIDA, A. H. Fosfatos de cálcio de interesse biológico: importância como biomateriais, Propriedades e métodos de obtenção de recobrimentos. UNESP, São Paulo, KAHN, H. Difração de Raios X. Disponível em: Acesso em 19/11/2011. KAYALI, E. S; GOLLER, G; AKIN, I. BIOCERAMICS, 23ed. Istanbul, Turkey: Trans Tech Publications LEGEROS, R.Z. Properties of Osteoconductive Biomaterials: Calcium phosphates. Clin. Orthop. Relat. Res., v.395, p.81-98, MA Q.Y.; TRAINA S.J.; LOGAN T. J. Lead imobilization from Aqueous Solutions and Contaminated Soils Using Phosphate Rocks. Environ. Sci. Technol., v. 29, p , OLIVEIRA, S. V. ; MEDEIROS, K. M.; ARAÚJO, E. P. ; BRAGA; C. R. C.; E. M. ARAÚJO; FOOK, M. V. L. Caracterização química e morfológica do pirofosfato de cálcio obtido por via úmida. Revista Eletrônica de Materiais e Processos, v.4.3 (2009) 11-20, aceito em 30/11/2009 PADILHA, A. F. AMBRÓZIO FILHO, F., Técnicas de Análise Microestrutural, Editora Hermus, PARK, J.; LAKES, R.S. Biomaterials: an Introduction. 3th Edition. New York: Springer, p. RESTREPO LL, MARZOLA C, CONSOLARO A, COSTA PEREIRA AA, TOLEDO FILHO JL, ANDREO JC. Avaliação de implantes de osso bovino liofilizado Osseobondâ e membrana reabsorvível de osso bovino liofilizado. Rev Bras Implant n.4, p.8-15, SOUSA, W. J. B. Desenvolvimento de filmes hibridos de quitosana/fosfato de cálcio com incorporação de vitamina E. Campina Grande, TAGA R, CESTARI TM, SILVA TL, STIIPP CM. Reparo de defeito ósseo perene em crânio de cobaia pela aplicação de osseobond. Rev Bras Implant jan/fev v.3, n.1, p.13-20, 1997.

9 9 TEN, C. A. Oral histology : development, structure, and function. 5th ed. St. Louis: Mosby; 1998.