INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS LORENA BATISTA CALIMAN

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1 INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS LORENA BATISTA CALIMAN SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE HIDROXIAPATITA OBTIDA A PARTIR DA CASCA DE OVO DE AVESTRUZ Vitória 2011

2 1 LORENA BATISTA CALIMAN SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE HIDROXIAPATITA OBTIDA A PARTIR DA CASCA DE OVO DE AVESTRUZ Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Engenharia Metalúrgica e de Materiais. Orientadora: Profa. Dra. Viviana Possamai Della Sagrillo Co-orientador: Prof. Dr. Sidney Nicodemos da Silva Vitória 2011

3 2 C153s Caliman, Lorena Batista Síntese e caracterização de Hidroxiapatita obtida a partir da casca de ovo de avestruz / Lorena Batista Caliman f. : il. ; 30 cm Orientadora: Viviana Possamai Della Sagrillo. Dissertação (Mestrado) Instituto Federal do Espírito Santo, Programa de Pós graduação em Engenharia Metalurgica e Materiais, mestrado em Engenharia Metalúrgica e Materiais. 1. Engenharia de materiais. 2. Resíduos de animais - Reaproveitamento. 3. Engenharia química. I. Sagrillo, Viviana Possamai Della. II. Instituto Federal do Espírito Santo. III. Título. CDD:

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5 4 DECLARAÇÃO DO AUTOR Declaro, para fins de pesquisa acadêmica, didática e técnico-científica, que a presente Dissertação de Mestrado pode ser parcialmente utilizada desde que se faça referência à fonte e ao autor. Vitória, 18 de fevereiro de Lorena Batista Caliman

6 5 AGRADECIMENTOS Primeiramente agradeço a Deus pelo presente da vida e as infinitas bênçãos que Ele me tem concedido e depois a minha família, pelo carinho, paciência (e sei que é preciso muita) e por ser a minha base, minha referência para todos os momentos da vida. Agradeço a disponibilidade e preocupação da professora Viviana e a oportunidade de crescimento mútuo que tivemos nessa primeira experiência de orientação e ao professor Sidney, pela grande ajuda e por sempre me dar uma luz quando precisei. Ao professor Reginaldo, Belô, que sempre será um pai na área acadêmica, mas mais do que isso, um amigo na vida real. A CAPES, pela bolsa de mestrado. Ao IFES e o PROPEMM, por proporcionarem a realização do curso de mestrado e colaborarem financeiramente com o desenvolvimento do trabalho e as participações em eventos. A Deise, futura colega do PMT, pela sua disponibilidade e imensa ajuda em realizar análises fundamentais para este trabalho em tão pouco tempo; ao Renzo e ao professor Eustáquio, do LabPetro da UFES pela análise de ATD/TG; e a Valeska, do Instituto de Química da USP, pela análise de ICP OES. Aos profissionais José Ricardo M. Ferreira e Gustavo M. Amorim, pela sugestão do tema. À Fazenda Santa Esmeralda Struthio pelo fornecimento das cascas de ovos de avestruz utilizadas nesse trabalho.

7 6 Então entendi que nesta vida tudo o que a pessoa pode fazer é procurar ser feliz e viver o melhor que puder. Eclesiastes 3:12

8 7 RESUMO Devido à grande preocupação com a preservação ambiental, cresce nos últimos anos o interesse por processos e atividades que não sejam prejudiciais ao meio ambiente. Com este objetivo, uma das principais vertentes dos trabalhos científicos atuais é a reciclagem de resíduos, que possibilita a redução da quantidade de lixo a ser estocado ou descartado incorretamente e também ameniza a exploração das jazidas naturais. Nesse contexto, o presente trabalho buscou o aproveitamento do resíduo agroindustrial casca de ovo de avestruz para a síntese de Hidroxiapatita, um fosfato de cálcio com razão molar Ca/P igual a 1,67. A Hidroxiapatita é muito utilizada como biomaterial devido à sua excelente biocompatibilidade e também possui outras aplicações tecnológicas. A casca de ovo de avestruz foi caracterizada, e por ser majoritariamente constituída por CaCO 3 foi calcinada para gerar óxido de cálcio, posteriormente convertido em Ca(OH) 2. A obtenção de Hidroxiapatita aconteceu por meio de uma reação de precipitação por via úmida entre o Ca(OH) 2 preparado e H 3 PO 4 comercial. Para o êxito da mesma, foi comprovado ser necessário manter o ph básico, nesse caso, igual a 10. A análise de Difração de Raios X mostrou que Hidroxiapatita precipitada, depois de calcinada a 800 C dá origem a uma mistura de Hidroxiapatita e β-fosfato Tricálcico, o que prova que precipitada é ligeiramente deficiente em cálcio. A análise química comprovou que a razão Ca/P da Hidroxiapatita precipitada é igual a 1,60. A análise de Espectroscopia de Infravermelho mostrou a presença de íons CO 2-3, decorrentes da reação em atmosfera aberta. O pó apresentava partículas de granulometria entre 0,1 e 100 µm arranjadas em aglomerados e com superfície específica igual a 11,70 m²/g. Com esse procedimento buscouse dar um destino proveitoso para a casca de ovo de avestruz sob o ponto de vista ambiental e tecnológico, transformando-a em um novo produto de maior valor agregado. Palavras-chave: Hidroxiapatita, casca de ovo de avestruz, reciclagem.

9 8 ABSTRACT In the past few years and nowadays the interest in processes and not dangerous activities to the environment has been growing due to the great concern with environmental preservation. An area of great interest in scientific research is the waste recycling, which reduces the amount of stored waste or improperly disposed and also decreases the exploration and devastation of natural deposits. In this context, this paper has intent to reuse the residue ostrich eggshell to synthesize Hydroxyapatite, a calcium phosphate (molar ratio 1.67) much used as a biomaterial, due to its excellent biocompatibility, and others technological uses. The ostrich eggshell was characterized and as its major constituent is CaCO 3, it was calcined to generate calcium oxide, later converted into Ca(OH) 2. The Hydroxyapatite synthesis was carried out by a wet precipitation method between the Ca(OH) 2 obtained and commercial H 3 PO 4. It was proved that for the reaction success, ph control was necessary, close to 10. The X-ray Diffraction analysis has shown that the precipitated Hydroxyapatite calcined at 800 C resulted in a bifasic powder of Hydroxyapatite and β-tricalcium Phosphate, which proves that precipitated Hydroxyapatite was deficient in calcium. Chemical analysis proved that the Ca/P ratio of precipitated Hydroxyapatite is The Infrared Spectroscopy showed the presence of CO 3 2- ions as a consequence of reaction in open atmosphere. The powder presented particles with varied granulometry between 0.1 and 100 µm arranged in agglomerates and with 11,70 m²/g of specific surface area. Following this procedure, the ostrich eggshell gets a technological profitable reuse also environmentally friendly, being transformed in a new product of high aggregate value. Key words: Hydroxyapatite, ostrich eggshells, recycling.

10 9 ÍNDICE DE FIGURAS Figura Fotografia de ovos: (a) de avestruz, (b) de galinha Figura Arranjo dos íons ao longo do eixo c na Hidroxiapatita...30 Figura Estrutura atômica da Hidroxiapatita célula unitária...31 Figura Diagrama de estabilidade do sistema Ca-P-H 2 O a 25 C...35 Figura Fluxograma geral do procedimento executado durante o desenvolvimento deste trabalho experimental...42 Figura Aparelhagem utilizada na reação de precipitação por via úmida..46 Figura Fotografias da casca de ovo de avestruz: (a) inteira; (b) porosidade da casca, sua espessura e o orifício por onde o conteúdo foi removido Figura Difratograma de raios X da casca de ovo de avestruz in natura...54 Figura Análise termogravimétrica e diferencial da casca de ovo de avestruz in natura Figura Fotografia da casca de ovo de avestruz moída: (a) antes da calcinação e (b) depois da calcinação Figura Difratograma de raios X da casca de ovo de avestruz calcinada..57 Figura Difratograma de raios X do produto obtido na reação de precipitação sem controle de ph, após calcinação a 800 C/3h Figura Difratograma do pó precipitado (não calcinado) na reação com ph= Figura Difratograma de raios X do pó precipitado (calcinado a 800 C/3h) na reação com controle de ph Figura Difratograma da HAp (a) como obtida, (b) HAp calcinada a 800 C/3h e (c) da HAp comercial Figura Espectro de infravermelho do pó precipitado (não calcinado)....68

11 10 Figura Espectro de infravermelho do pó precipitado calcinado a 800 C/3h Figura Micrografias do pó (a) e (c) precipitado e (b) e (d) calcinado Figura Histograma da distribuição de tamanho de partículas da mistura bifásica obtida após a calcinação da Hidroxiapatita precipitada....73

12 11 ÍNDICE DE TABELAS Tabela Evolução do plantel brasileiro de avestruzes Tabela Tipos de fosfatos de cálcio e suas principais características...24 Tabela Fosfatos de cálcio em sistemas biológicos Tabela Solubilidade de alguns dos mais comuns fosfatos de cálcio...34 Tabela Quantidades dos reagentes utilizadas na reação Tabela Resultados da análise química e razão Ca/P da Hidroxiapatita obtida....67

13 12 ABREVIAÇÕES -TCP β-tcp ACAB ACP AEPE ATD BCP B.E.T. Ca/P COA d-hap DQUI DRX HAp IBGE ICDD IFES LEEAA LCM MEV Mg-TCP ph PMT TCP TG UBA UFES UFSC USP -fosfato tricálcico β- fosfato tricálcico Associação dos Criadores de Avestruzes do Brasil Fosfato de Cálcio Amorfo Associação dos Empreendedores Paulistas da Estrutiocultura Análise Térmica Diferencial Fosfato de Cálcio Bifásico Brunauer, Emmett, Teller (método de análise de ASE) Razão molar de íons cálcio e fósforo Casca de Ovo de Avestruz Hidroxiapatita deficiente em cálcio Departamento de Química da UFES Difração de Raios X Hidroxiapatita Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística International Crystal Diffraction Database Instituto Federal do Espírito Santo Lab. de Espectrometria de Emissão e Absorção Atômica da USP Laboratório de Caracterização Microestrutural da UFSC Microscopia (ou Microscópio) Eletrônica (o) de Varredura Fosfato tricálcico substituído com magnésio Potencial Hidrogeniônico Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da USP Fosfato tricálcico Análise Termogravimétrica União Brasileira de Avicultura Universidade Federal do Espírito Santo Universidade Federal de Santa Catarina Universidade de São Paulo

14 13 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO OBJETIVOS OBJETIVO GERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA CASCA DE OVO DE AVESTRUZ RESÍDUOS DA CRIAÇÃO DE AVESTRUZES USOS DAS CASCAS DE OVOS FOSFATOS DE CÁLCIO Importância dos Fosfatos de Cálcio Fosfato Tricálcico Hidroxiapatita de Cálcio MÉTODOS DE PREPARAÇÃO DA HIDROXIAPATITA Reações no Estado Sólido Reações Por Via Úmida Reação Entre Sais de Fosfato e Cálcio Reação Ácido-Base APLICAÇÕES DA HIDROXIAPATITA UTILIZAÇÃO DA CASCA DE OVO DE AVESTRUZ NA PRODUÇÃO DE HIDROXIAPATITA MATERIAIS E MÉTODOS UTILIZADOS FLUXOGRAMA GERAL DAS ATIVIDADES DESENVOLVIDAS PROCESSAMENTO DA CASCA DE OVO DE AVESTRUZ PARA OBTENÇÃO DE HIDROXIAPATITA Origem Processamento do Resíduo Limpeza e Moagem da Casca de Ovo de Avestruz Caracterização da Casca de Ovo de Avestruz in natura Tratamento Térmico da Casca de Ovo de Avestruz Caracterização do Óxido de Cálcio Obtido Reação de Precipitação para Obtenção de Hidroxiapatita Caracterização da Hidroxiapatita Obtida TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO Análise Térmica Diferencial e Termogravimétrica... 47

15 Análise Cristalográfica Análise Química Espectroscopia de Infravermelho Análise Microestrutural Distribuição de Tamanho de Partícula Superfície Específica APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS CARACTERIZAÇÃO DA CASCA DE OVO DE AVESTRUZ IN NATURA Análise Cristalográfica Análise Térmica TRATAMENTO TÉRMICO DA CASCA DE OVO DE AVESTRUZ CARACTERIZAÇÃO DO ÓXIDO DE CÁLCIO OBTIDO REAÇÃO DE PRECIPITAÇÃO PARA OBTENÇÃO DE HIDROXIAPATITA CARACTERIZAÇÃO DA HIDROXIAPATITA OBTIDA Teste Sem o Controle de ph Teste Com Controle de ph Análise Cristalográfica Quantificação das Fases pelo Método de Rietveld Análise Química Espectroscopia de Infravermelho Análise Microestrutural Distribuição de Tamanho de Partícula Superfície Específica CONCLUSÕES...75 REFERÊNCIAS...77

16 14 1 INTRODUÇÃO Com o aumento da população mundial, do avanço tecnológico e do consumismo, as indústrias trabalham a todo vapor e com isso crescem os problemas por elas causados, como a emissão de poluentes e resíduos prejudiciais ao meio ambiente e o esgotamento das fontes tradicionais de matéria-prima. A crescente preocupação com a preservação dos recursos naturais, resultado da conscientização da população mundial quanto aos cuidados com nosso planeta, tem influenciado fortemente os rumos do desenvolvimento tecnológico, devendo este ser estimulado de forma sustentável, sem agredir o meio ambiente. Assim, a sociedade atual exige não só um bom desempenho dos materiais sob o ponto de vista tecnológico e funcional, mas principalmente o conhecimento de suas interações com o meio ambiente em busca daqueles cuja obtenção ou utilização se faça com o mínimo consumo energético e menor impacto ecológico. Um dos principais problemas da produção industrial e agroindustrial é a quantidade de resíduos gerados, em sua maioria volumosos e descartados incorretamente. Objetivando reduzir a produção de resíduos de forma interligada com o processo produtivo, a principal e melhor alternativa é reaproveitá-los, seja no próprio processo produtivo ou como matéria-prima para obtenção de outros materiais, o que ainda agrega valor ao resíduo fazendo dele um subproduto rentável da produção principal. Um exemplo de resíduo com potencial de reciclagem são as cascas de ovos, que possuem diferentes possibilidades de reaproveitamento e são geradas em grande quantidade no Brasil, aproximadamente 600 milhões de dúzias de ovos de galinha por trimestre de 2010 (IBGE, 2010). As cascas são volumosas e constituem um resíduo industrial potencialmente poluente por favorecer o desenvolvimento de bactérias e fungos devido ao teor

17 15 de matéria orgânica (RIVERA et al., 1999) gerando consequências indesejáveis como mau cheiro e o aparecimento de vetores de doenças. Ricas em carbonato de cálcio, CaCO 3, as cascas de ovos possuem composição muito semelhante para todas as espécies de aves, como por exemplo, cascas de ovos de galinha e avestruz contêm 94 e 97% de CaCO 3, respectivamente, e o restante de matéria orgânica e outros minerais (RIVERA et al., 1999; DUPOIRIEUX, 1999). Como forma de reaproveitar a grande quantidade de CaCO 3 presente nas cascas de ovos, alguns trabalhos estudam a possibilidade de utilização destas como fertilizantes para o solo, suplemento alimentar para seres humanos e animais, substituto para minérios utilizados no tratamento do papel, agente de remoção de metais pesados em meio aquoso e fonte de cálcio para a produção de Hidroxiapatita (OLIVEIRA, BENELLI, AMANTE, 2009). Devido à semelhança de composição, é possível cogitar a utilização do carbonato oriundo de qualquer casca de ovo para essas mesmas aplicações. Assim, a utilização do ovo de avestruz é de grande interesse devido ao seu tamanho, o qual corresponde a cerca de 20 a 25 vezes o volume de um ovo de galinha (ACAB, 2010), apresentando cascas bem maiores e também mais espessas, com aproximadamente 2 mm (DUPOIRIEUX, 1999). Além disso, com o crescimento da estrutiocultura, do latim struthio (avestruz) e cultura (criação), este resíduo está sendo gerado em quantidades cada vez maiores, e considerando que ainda não seja reaproveitado adequadamente, seu descarte prejudica o meio ambiente devido à difícil compostagem e também desperdiça um produto que pode gerar algum lucro ao produtor se reaproveitado. Levando em conta as vantagens de utilização da casca de ovo de avestruz frente às outras cascas de ovos, um destino proveitoso, do ponto de vista tecnológico, é a sua utilização como fonte de cálcio no método de produção da Hidroxiapatita, que é bastante visada devido à importância deste material e a vasta gama de aplicações que possui.

18 16 Componente inorgânico de ossos e dentes, a Hidroxiapatita é um importante fosfato de cálcio, possuindo aplicações em diversos campos desde a área biomédica até a tecnológica. Em função de sua excelente biocompatibilidade, boa resistência à corrosão e alto grau de inércia química, a Hidroxiapatita está sendo mais amplamente utilizada em reparos de defeitos ósseos, ou seja, como um biomaterial. Com o objetivo de avaliar o aproveitamento da casca de ovo de avestruz na elaboração de novos materiais, iniciou-se o estudo da reciclagem deste resíduo agroindustrial como precursor na obtenção de Hidroxiapatita.

19 17 2 OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GERAL Considerando os fatores descritos anteriormente, a proposta do atual trabalho é sintetizar Hidroxiapatita a partir do resíduo da Casca de Ovo de Avestruz proporcionando a reciclagem deste resíduo e a obtenção de um material de grande importância comercial. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Para atingir o objetivo geral proposto e considerando a complexidade de fatores, faz-se necessário um desenvolvimento teórico e experimental que fundamente e oriente as diversas etapas do processo produtivo. Para tanto, foram definidos os seguintes objetivos específicos: Caracterizar a casca de ovo de avestruz, verificando as suas propriedades e a possibilidade de sua utilização na obtenção da Hidroxiapatita; Elaborar uma curva de tratamento térmico satisfatória para calcinação da casca; Calcinar a casca de ovo de avestruz para obtenção do óxido de cálcio; Elaborar um procedimento para obtenção da Hidroxiapatita utilizando o óxido de cálcio obtido a partir do tratamento térmico da casca de ovo de avestruz; Caracterizar a Hidroxiapatita sintetizada verificando suas propriedades e características desejáveis para a aplicação como biomaterial.

20 18 3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 3.1 CASCA DE OVO DE AVESTRUZ A casca é a proteção do ovo e fonte de íons cálcio para o desenvolvimento do filhote. É um resíduo de baixo valor comercial e um poluente em potencial, pois a sua decomposição pode gerar mau cheiro, desenvolvimento de bactérias e fungos e o aparecimento de ratos e insetos, fatores que por sua vez podem acarretar contaminação do solo e água e disseminação de doenças. Famoso pelo seu tamanho, o ovo do avestruz (Struthio camelus) é o maior dentre as aves, com peso médio de 1,5 kg, dimensões de aproximadamente 16x12 cm e com casca de espessura média de 2 mm. Com essas características, esses ovos são fortes o suficiente para suportar uma força de até 55 kg e resistir aos ataques de quase todos os predadores devido à resistência mecânica da casca (DUPOIRIEUX, 1999). A Figura 3.1 compara o tamanho da casca de ovo de avestruz (COA) com uma casca de ovo de galinha, podendo-se observar a grande diferença nas dimensões.

21 19 3 cm (a) (b) Figura Fotografia de ovos: (a) de avestruz, (b) de galinha. A estrutura da COA é compacta e possui microporosidade que permite apenas a troca gasosa (DUPOIRIEUX, 1999), sendo constituída estruturalmente de três camadas: cutícula, camada esponjosa e camada lamelar. A cutícula é a camada mais externa e consiste em inúmeras proteínas. As camadas esponjosa e lamelar formam uma matriz constituída por fibras de proteínas ligadas a cristais de calcita em uma proporção de 1:50 (RIVERA et al., 1999). Rivera e colaboradores (1999) relatam que a matriz protéica não somente envolve os cristais de calcita, mas também passa através deles, influenciando assim na resistência mecânica da casca de ovo, criando um compósito polímero-cerâmico. A espessura, forma e tamanho das cascas de ovo, assim como os elementos estruturais e a porosidade característica variam de espécie para espécie. Entretanto, essa estrutura geral da casca em três camadas é basicamente a mesma para todas as aves. Quanto à composição, as cascas de ovos apresentam ligeira variação de uma espécie de ave para a outra, mas no geral são constituídas de uma matriz mineral, correspondente a cerca 97% em peso, e matéria orgânica (DUPOIRIEUX, 1999). A principal fase mineral presente em todas as cascas de

22 20 ovos é a calcita, fase trigonal e o polimorfo mais estável a temperatura ambiente do carbonato de cálcio (CaCO 3 ) (NYS et al., 2004). Na matriz mineral da casca, além do carbonato de cálcio podem ser encontrados também o fosfato de magnésio (1,9%) e o fosfato tricálcico (0,7%) (DUPOIRIEUX, 1999). Os componentes orgânicos presentes nas cascas de ovos são complexos de proteínas mucopolissacarídeos, constituídas principalmente de sulfato de condroitina A e B, glicosamina, galactosamina, galactose, manose, fucose e ácido siálico (RIVERA et al., 1999). 3.2 RESÍDUOS DA CRIAÇÃO DE AVESTRUZES Iniciada em 1995 como uma alternativa à diversificação do agronegócio brasileiro, a criação de avestruzes é uma atividade que vem crescendo no Brasil. A Associação dos Empreendedores Paulistas da Estrutiocultura (AEPE) estimou que em 1996 o plantel brasileiro não passava de 500 animais (SOUZA, AQUINO, SOBRINHO, 2006). Os dados mais recentes indicam um plantel de aproximadamente aves, de acordo com a Tabela 3.1. Tabela Evolução do plantel brasileiro de avestruzes (UBA, Relatório Anual 2007/2008). Ano Total de avestruzes Taxa de crescimento (%)

23 21 Por ser uma atividade relativamente recente e em desenvolvimento, os dados sobre a produção, mercado e o tamanho do plantel brasileiro ainda não são atualizados de ano em ano e os dados já divulgados foram coletados por agências como a Associação dos Criadores de Avestruzes do Brasil (ACAB) e a União Brasileira de Avicultura (UBA). Não há dados divulgados sobre a produção de ovos de avestruz, porém podese fazer uma estimativa a partir do tamanho do plantel. Em geral, nos criatórios comerciais, os animais são postos em piquetes formando casais ou no máximo trios (um macho e duas fêmeas), assim pode-se considerar que aproximadamente metade a dois terços do plantel sejam fêmeas que produzem uma média de 50 a 60 ovos por ano. Há fêmeas que chegam a botar mais de 100 ovos por temporada reprodutiva (LUCHINI, COSTA, 1998). Assim sendo, a quantidade de ovos (fecundados ou não) por ano gira em torno de 11 a 18 milhões, dependendo da quantidade de fêmeas e da quantidade de ovos postos. Sabendo que a casca corresponde a cerca de 15 a 20% da massa total do ovo, o que normalmente varia entre 220 a 245 g (UNESP, 2009), e considerando a especulação de produção feita acima, estima-se que sejam geradas cerca de kg de casca por ano. Ainda não se pratica a comercialização dos ovos para alimentação, mesmo que o seu sabor seja muito semelhante ao do ovo de galinha e o volume bem maior. Isso porque o principal objetivo da estrutiocultura é a venda da carne e um ovo fecundado significa aumento do plantel, ou seja, é muito mais lucrativo para o produtor do que a venda de ovos para consumo. Além disso, a população não possui o hábito cultural de consumir esse tipo de ovos. Assim, as cascas geradas a partir desses ovos se concentram nas unidades de criação de avestruzes, o que facilita o seu recolhimento para uma possível reciclagem.

24 22 Encontrar um destino proveitoso para utilização das cascas agrega valor a esse resíduo e pode ser uma fonte extra de lucro para o produtor, que pode comercializá-las in natura ou moídas e calcinadas para diversas aplicações. 3.3 USOS DAS CASCAS DE OVOS Por favorecerem a proliferação microbiana, as cascas de ovos tornam-se um resíduo industrial potencialmente poluente, por isso, buscam-se várias formas de reaproveitá-los, desde utilização como fertilizantes para o solo até a síntese de novos materiais de maior valor agregado (OLIVEIRA, BENELLI, AMANTE, 2009). Nessa seção serão apresentadas algumas das formas de reutilização das cascas de ovos e as vantagens de cada caso. O carbonato de cálcio obtido da casca de ovo pode atuar como agente de remoção de metais perigosos em meio aquoso. De acordo com o tempo de contato do carbonato com a solução do metal a eficiência de absorção pode chegar até 72% (VIEIRA et al., 2004). Hsieh (2008) avaliou as potencialidades das cascas de ovos e relatou a sua utilização na indústria de papel como substituinte dos minerais naturais que promovem brancura, opacidade e resistência no produto, melhorando a aparência, a textura e facilitando a impressão. Hsieh (2008) também descreveu a utilização da membrana (rica em proteína) da casca para produção de aminoácidos e também para a alimentação animal. Dupoirieux (1999) estudou o comportamento de implantes de COA utilizados em reconstruções ósseas na face de animais. De acordo com os resultados encontrados, foi relatado que a casca de ovo se compara a outros materiais também chamados biocompatíveis. Porém, a sua utilização em seres humanos ainda depende de estudos experimentais mais aprofundados.

25 23 Na alimentação humana e animal, a casca de ovo é utilizada na forma de citrato de cálcio. Essa conversão é necessária porque a biodisponibilidade (velocidade e grau com que uma substância é absorvida pelo organismo) do carbonato de cálcio é baixa e quando transformado em citrato apresenta maior absorção. Nas conchas de ostras, outra fonte de carbonato, há vestígios de chumbo e outros elementos potencialmente tóxicos como alumínio, cádmio e mercúrio, que são absorvidos pelas conchas devido à alta capacidade de absorção do carbonato. Nesse sentido, o carbonato da casca de ovo apresenta a vantagem de não conter esses elementos tóxicos (MURAKAMI et al., 2006). A utilização do carbonato oriundo das cascas de ovos como fonte de íons cálcio na síntese de Hidroxiapatita (HAp) já foi relatado em diversos estudos ao longo dos últimos anos (RIVERA et al., 1999; AHMED, AHSAN, 2008; OLIVEIRA, BENELLI, AMANTE, 2009; NAYAR, GUHA, 2009; SANOSH et al., 2009). Esses estudos utilizaram a casca de ovo de galinha como fonte de cálcio para síntese de HAp, o que agrega valor ao resíduo, resolve o problema ambiental e proporciona a obtenção de HAp de qualidade por um preço mais baixo que o do mercado. Dentre essas possibilidades de reaproveitamento revisadas na literatura, destaca-se principalmente a síntese de HAp, um importante fosfato de cálcio que é uma das biocerâmicas mais utilizadas em aplicações médicas e dentárias além de inúmeras outras aplicações tecnológicas, tais como: removedor de metais pesados em solução, adsorvente em cromatografia líquida e catalisador de reações químicas. 3.4 FOSFATOS DE CÁLCIO A família dos fosfatos de cálcio apresenta uma vasta gama de compostos que normalmente são classificados de acordo com a sua razão Ca/P. Na Tabela 3.2

26 24 estão listados alguns dos fosfatos de cálcio mais comuns e as respectivas razões Ca/P. Tabela Tipos de fosfatos de cálcio e suas principais características (DOROZHKIN, 2009). Razão Ca/P 0,5 0,5 1,0 1,0 1,33 1,5 1,5 1,2-2,2 1,5-1,67 Fosfatos de Cálcio Fosfato monocálcico monohidratado Fosfato monocálcico anidro Fosfato dicálcico diidratado Fosfato dicálcico anidro Fosfato octacálcico -Fosfato Tricálcico β- Fosfato Tricálcico Fosfato de cálcio amorfo Hidroxiapatita deficiente em cálcio Fórmula Química Solubilidade a 25 C, g/l ph de estabilidade a 25 C Ca(H 2 PO 4 ) 2.H 2 O ~ 18 0,0-2,0 Ca(H 2 PO 4 ) 2 ~ 17 Ca 2 P 2 O 7.2H 2 O ~ 0,088 2,0-6,0 Ca 2 P 2 O 7 ~ 0,048 Ca 8 H 2 (PO 4 ) O ~ ,5-7,0 -Ca 3 (PO 4 ) 2 ~ 0,0025 β-ca 3 (PO 4 ) 2 ~ Ca x H y (PO 4 ) z. nh 2 O, n=3-4,5; 15-20% H 2 O Ca 10- x(hpo 4 ) x (PO 4 ) 6- (0<x<1) x(oh) 2-x [e] [b] [c] [c] [a] [a] ~ 5-12 [d] ~ 0,0094 6,5-9,5 1,67 Hidroxiapatita Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ~ 0,0003 9,5-12 1,67 Fluorapatita Ca 10 (PO 4 ) 6 F 2 ~ 0, ,0 Fosfato tetracálcico Ca 4 O(PO 4 ) 2 ~ 0,0007 [a] Esses compostos não podem ser precipitados a partir de uma solução aquosa. [b] Não pode ser medido precisamente. [c] Estável a temperaturas acima de 100 C. [d] Sempre metaestável. [e] Quando x=1 (Ca/P=1,5), a fórmula química é Ca 9 (HPO 4 )(PO 4 ) 5 (OH). [a]

27 25 Os parâmetros mais importantes para caracterizar um fosfato de cálcio são: razão Ca/P, basicidade/acidez e solubilidade. Esses parâmetros são fortemente relacionados com o ph da solução. Quanto menor a razão Ca/P, maior a acidez e a solubilidade em água do fosfato de cálcio. Os compostos mais ácidos têm maior solubilidade, como o fosfato monocálcico monohidratado. Já os compostos básicos, como as apatitas, são menos solúveis (DOROZHKIN, 2009). Dentre os fosfatos de cálcio, os mais estudados são os que possuem estrutura de apatitas, uma família que apresenta propriedades isomorfas, isto é, similaridade nas estruturas cristalinas mas não necessariamente de composição. As apatitas abrangem uma série de compostos isomorfos com fórmula química geral igual a M 10 (YO 4 ) 6 Z 2, que podem sofrer substituições nos sítios M 2+ 3-, YO 4 e Z -. As espécies M 2+ são tipicamente cátions metálicos divalentes como Ca 2+, Sr 2+, Ba 2+, Pb 2+ ou Cd 2+ ; os grupamentos YO 3-4 são geralmente um dos ânions trivalentes: PO 3-4, AsO 3-4, VO 3-4, CrO 3-4 ou MnO 3-4 ; e os ânions monovalentes Z - são geralmente F -, OH -, Br - ou Cl - (KOHN, DUCHEYNE, AWERBUCH, 1992). No caso das apatitas de fosfato de cálcio, Ca 10 (PO 4 ) 6 Z 2, o sítio Z - pode sofrer substituição originando a Fluorapatita, Hidroxiapatita, Bromoapatita e Cloroapatita. As apatitas, do grego apatites que significa enganadora, receberam este nome devido à dificuldade de identificação em função da semelhança entre as estruturas cristalinas (SILVA, 2007). É justamente a estrutura cristalina que faz as apatitas de fosfato de cálcio tão importantes biologicamente, pois possuem estrutura (característica das apatitas) e composição (cálcio e fosfato) semelhantes ao tecido ósseo, sendo compatíveis com o organismo.

28 Importância dos Fosfatos de Cálcio É grande o interesse pelos fosfatos de cálcio devido à sua ocorrência natural no corpo humano (ocorrência biológica) como, por exemplo, no esmalte dos dentes, na dentina, na cementação, nos ossos e em ocorrências patológicas, como cálculos dentários e renais, cristais salivares e calcificações em geral (MENDES FILHO, 2006). A Tabela 3.3 traz os fosfatos de cálcio mais importantes para os sistemas biológicos e suas ocorrências. Tabela Fosfatos de cálcio em sistemas biológicos (LEGEROS, 1991 apud VAZ, 2007). Fosfatos de cálcio Hidroxiapatita, fluorapatita, cloroapatita Fórmula Química Ca 10 (PO 4 ) 6 X 2 Onde: X= OH, F, Cl Razão Ca/P 1,67 Ocorrência Esmalte, dentina, osso, rochas, cálculo renal, calcificações em tecido mole Fosfato octacálcio, OCP Ca 8 H 2 (PO 4 ) 6.5H 2 O 1,33 Cálculo dental e renal Brushitas, a) Fosfato dicálcico diidratado b) Fosfato dicálcico anidro Whitlockita, a) Fosfato tricálcico, β-tcp b) Fosfato tricálcico modificado Mg, Mg-TCP Pirofosfato de cálcio di-hidratado CaHPO 4.2H 2 O CaHPO 4 1,00 (Ca,Mg) 9 (PO 4 ) 6 1,50 Ca 2 P 2 O 7.2H 2 O 1,00 Tártaro, ossos decompostos Cálculo renal e tártaro, pedras salivárias, cáries em dentina, cartilagem artrítica, calcificações em tecido mole Pseudo depósitos no fluido sinovial (fluido lubrificante que reduz o atrito e facilita o movimento das articulações).

29 27 Em 1926, estudos de difração de Raios X e análise química identificaram a fase mineral da dentina, do esmalte e do osso como sendo um fosfato de cálcio com estrutura de apatita que apresenta fórmula Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2, a Hidroxiapatita (SILVA, 2007). A partir daí, fosfatos de cálcio passaram a ser estudados visando a utilização como biomateriais. Em consenso, os estudiosos da área biomédica definem biomateriais como: materiais sintéticos ou naturais que são utilizados para substituir partes de um sistema biológico ou desempenhar uma determinada função em contato com um tecido vivo. Os biomateriais podem ser divididos em subclasses: bioinertes, biotolerantes, bioativos e bioreabsorvíveis. Os biomateriais de fosfatos de cálcio são classificados como bioativos ou bioreabsorvíveis. Um material bioativo irá se dissolver levemente em contato com um tecido vivo, formando uma camada biológica de apatita antes de entrar em contato direto com o tecido em nível atômico, o que resulta em uma ligação química direta osso com osso. Um material bioreabsorvível vai se dissolver e permitir que um novo tecido formado cresça dentro de irregularidades da sua superfície, mas não necessariamente interagindo diretamente com o material. Biocerâmicas feitas de HAp densa são um bom exemplo de material bioativo, enquanto scaffolds porosos feitos de Fosfato de Cálcio Bifásico (isto é, uma mistura de β-fosfato Tricálcico (β-tcp) com HAp, designado pela sigla BCP) são exemplos de materiais bioreabsorvíveis. A HAp, o β-tcp e uma mistura destes representam os fosfatos de cálcio mais empregados na área médica (RIBEIRO, 2008). Por essa razão, discutiremos mais sobre esses dois compostos a seguir.

30 Fosfato Tricálcico O fosfato tricálcico (TCP) existe sob duas formas alotrópicas: e β. Sua fórmula química é Ca3(PO4)2 e a razão molar Ca/P igual a 1,5, contendo cerca de 39% de cálcio e 20% de fósforo em massa (GUTIERRES et al., 2006). O β-fosfato tricálcico (β-tcp) não pode ser precipitado de soluções aquosas, só pode ser preparado da HAp deficiente em cálcio em alta temperatura ou pela reação em estado sólido de fosfatos de cálcio ácidos com uma base, como o CaO. Além das reações de preparação química, β-tcp substituído ionicamente pode ser preparado pela calcinação de ossos: este tipo de β-tcp é ocasionalmente chamado de cinza de osso (DOROZHKIN, 2009). Em temperaturas superiores a 1125 C, o β-tcp se transforma na fase de alta temperatura -TCP. Embora o -TCP e o β-tcp tenham exatamente a mesma composição química, eles diferem em sua estrutura cristalina ( -TCP - monoclínica, grupo P2 1 /b; β-tcp - romboédrica, grupo R3cH) e solubilidade, conforme mostrado na Tabela 3.2, página 24. Além disso, a fase β-tcp é mais estável e menos reativo que a fase -TCP em sistemas aquosos (DOROZHKIN, 2009). O -TCP e β-tcp nunca ocorrem em calcificações biológicas. Somente a forma do β-tcp com substituições de Mg (β-(ca,mg) 3 (PO 4 ) 2 ) é encontrada em pedras urinárias, cáries dentais, cartilagem artrítica, assim como em alguns depósitos de tecidos moles (DOROZHKIN, 2009). O -TCP puro não recebe grande atenção na biomedicina devido à sua rápida velocidade de absorção, a qual limita a sua aplicação nesta área. Já o -TCP estabilizado com silício (um composto bifásico estabilizado com HAp), tem sido comercializado como matéria-prima para a produção de scaffolds de cerâmica porosa bioabsorvível (DOROZHKIN, 2009). O β-tcp tem maior interesse na área médica. Pode ser usado em cimentos de fosfatos de cálcio e em combinação com a HAp forma um fosfato de cálcio

31 29 bifásico (BCP). Ambos (BCP e β-tcp) são amplamente utilizados como biocerâmicas para substituição óssea (DOROZHKIN, 2009) Hidroxiapatita de Cálcio Destaque entre as apatitas devido à sua excelente biocompatibilidade, a Hidroxiapatita, Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH) (geralmente escrita como Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 para denotar que existem duas moléculas por célula unitária), é um composto de composição, estequiometria e cristalografia definidas. Apresenta razão Ca/P de 1,67, é estável em meio neutro e alcalino e é o componente inorgânico majoritário de ossos e dentes humanos (VOLKMER, 2006). Quanto à estrutura, a HAp de cálcio pertence ao sistema hexagonal, grupo espacial P6 3 /m, que é caracterizado por uma simetria perpendicular (ao longo do eixo c) a três eixos a equivalentes (a1, a2, a3), formando ângulos de 120 entre si, como mostrado pela Figura 3.2 (ELLIOTT, WILSON, DOWKER, 2002).

32 30 Figura Arranjo dos íons ao longo do eixo c na Hidroxiapatita (ELLIOTT; WILSON; DOWKER, 2002). A sua célula unitária contém os grupos Ca, PO 4 e OH empacotados juntos em um arranjo como visto na Figura 3.3 (KAY et al., 1964 apud MAVROPOULOS, 1999), onde se tem uma vista superior da célula (eixo c sai do plano do papel).

33 31 Figura Estrutura atômica da Hidroxiapatita célula unitária (KAY et al., 1964 apud MAVROPOULOS, 1999). Na ocorrência biológica, a HAp tem sido descrita como deficiente em cálcio, não estequiométrica, impura e contendo carbonatos, sendo assim, ela difere da HAp padrão na estequiometria, composição e outras propriedades físicas e mecânicas resultantes da substituição por outros íons e formação de solução sólida (VOLKMER, 2006). 3.5 MÉTODOS DE PREPARAÇÃO DA HIDROXIAPATITA Existem muitos métodos para se preparar a HAp, os quais foram revisados em diversos trabalhos (NARASARAJU, PHEBE, 1996; MENDES FILHO, 2006). Dentre esses, destacam-se as reações em estado sólido e as reações por via úmida. Para as reações por via úmida, a morfologia, estequiometria e cristalinidade da HAp obtida são características da técnica utilizada para sua preparação. Já nas reações em estado sólido, geralmente a HAp obtida é

34 32 estequiométrica e cristalina, porém esse método requer temperaturas elevadas e tratamentos térmicos durante longos períodos de tempo (SUCHANEK, YOSHIMURA, 1998) Reações no Estado Sólido As reações em estado sólido são caracterizadas pela alta cristalinidade da HAp obtida, pequeno tamanho das partículas e ausência dos aglomerados característicos da reação por via úmida, porém a homogeneidade da estequiometria é comprometida, visto que depende da difusão e o controle das condições de preparo é complicado (VOLKMER, 2006). Nos fosfatos de cálcio, este processo envolve temperaturas acima de 950 C para a mistura homogênea de compostos de cálcio e fosfato e é de fácil preparo (KANNAN, 2005; GOUVEIA, 2008), porém as desvantagens como tamanho e morfologia não uniformes, falta de reprodutibilidade, caráter multifásico e perda de estequiometria (devido à volatilização de reagentes a altas temperaturas) fazem da síntese por via úmida uma escolha mais viável, por isso discutiremos mais a respeito desta Reações Por Via Úmida As técnicas de síntese por via úmida se dividem em três grupos: (1) precipitação, (2) hidrotermal e (3) hidrólise de outros fosfatos de cálcio. Dentre todos os métodos disponíveis, a precipitação por via úmida é a mais popular devido à sua simplicidade, baixo custo e fácil aplicação na produção industrial (AHMED, AHSAN, 2008). Nesse procedimento, a HAp pode ser preparada misturando-se quantidades estequiométricas de soluções de cálcio e

35 33 fosfato em ph maior que 9, seguido por envelhecimento por vários dias (em uma atmosfera livre de CO 2 ), filtração, secagem e, usualmente, sinterização a aproximadamente 1000 C (DOROZHKIN, 2009). Nesse procedimento, a temperatura utilizada não é maior que 100 C e cristais nanométricos podem ser obtidos. A cristalinidade e a razão Ca/P depende diretamente das condições de preparo e, na maioria dos casos, apresenta-se menor do que a da HAp estequiométrica, que é de 1,67 (SUCHANEK, YOSHIMURA, 1998; MENDES FILHO, 2006). Mesmo em condições estequiométricas ideais, os precipitados geralmente são não-estequiométricos, sugerindo a formação de fases intermediárias precursoras da HAp (DOROZHKIN, 2009). De acordo com Volkmer (2006), pelo método de precipitação por via úmida, em um primeiro estágio de reação, os íons cálcio e fosfato em solução alcalina precipitam na forma de fosfato de cálcio amorfo. O fosfato de cálcio amorfo se forma primeiro porque é a fase de maior solubilidade, de acordo com as informações de solubilidade na Tabela 3.4. Com o decorrer do envelhecimento do precipitado dentro da solução-mãe, essa fase se transforma seguidamente por dissolução e recristalização nas fases menos solúveis, no caso, a HAp. Ou seja, no caso de síntese de fosfatos de cálcio, para um ph acima de 7, a primeira fase obtida seria o fosfato de cálcio amorfo (mais solúvel), e esse se transformaria lentamente em HAp (menos solúvel). A razão Ca/P de 1,67 só é atingida depois de, no mínimo, 2 a 5 horas do final da reação a 90 C (RODRÍGUEZ-LORENZO, VALLET-REGÍ, 2000). Por isso, é de suma importância para obtenção de HAp, que os processos de envelhecimento dentro da solução mãe sejam longos e com um rigoroso controle de ph.

36 34 Tabela Solubilidade de alguns dos mais comuns fosfatos de cálcio (SILVA, 2007). Solubilidade Fosfato de Cálcio Fórmula Química Maior solubilidade Fosfato de cálcio amorfo (ACP) Ca 3 (PO 4 ) 2.nH 2 O Fosfato tetracálcico (TTCP) Ca 4 O(PO 4 ) 2 Alfa fosfato tricálcico (α-tcp) Ca 3 (PO 4 ) 2 Beta fosfato tricálcico (β-tcp) Ca 3 (PO 4 ) 2 Menor Solubilidade Hidroxiapatita (HAp) Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 De acordo com Ferreira (2009), a síntese de HAp em meio neutro ou ácido é uma tarefa muito difícil, ocorrendo normalmente o aparecimento da fase β-tcp. Isso porque a HAp é instável em meio ácido, como pode-se ver no diagrama da Figura 3.4 (GOUVEIA, 2008). Esse diagrama mostra a estabilidade do sistema Ca-P-H2O a 25 C na forma do logaritmo da concentração total de cálcio da solução em função do ph da suspensão.

37 35 Figura Diagrama de estabilidade do sistema Ca-P-H 2 O a 25 C (GOUVEIA, 2008). Assim, em alguns procedimentos o ph da reação é corrigido para manter o meio básico e dessa forma aumentar a eficiência da síntese de HAp (MENDES FILHO, 2006). A reação de precipitação pode dar-se por meio de uma reação entre sais que contenham o grupo fosfato e o íon cálcio ou então por uma reação ácido-base. As duas serão discutidas a seguir Reação Entre Sais de Fosfato e Cálcio A reação entre os sais de fosfato e cálcio pode acontecer, por exemplo, entre nitrato de cálcio Ca(NO 3 ) 2 e fosfato de amônio (NH 4 ) 2 HPO 4, porém, outras combinações de sais de cálcio e fosfato são possíveis. Nesse caso emprega-

38 36 se, também, o hidróxido de amônio para aumentar o ph da solução, conforme a reação (3.1): 10 Ca(NO 3 ) 2 (aq) + 6 (NH 4 ) 2 HPO 4 (aq) + 8 NH 4 OH (aq) Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 (s) + 20 NH 4 NO 3 (aq) + 6 H 2 O (l) (3.1) Esse método apresenta a desvantagem de ser sensível às concentrações dos reagentes e do ph da solução, ou seja, caso não haja um controle rigoroso, o processo pode obter fases indesejadas na sinterização da HAp (MENDES FILHO, 2006) Reação Ácido-Base A reação ácido-base consiste, basicamente, na adição gota a gota de ácido fosfórico, H 3 PO 4, na suspensão de hidróxido de cálcio, Ca(OH) 2, em agitação, conforme a reação (3.2): 10 Ca(OH) 2 (aq) + 6 H 3 PO 4 (aq) Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 (s) + 18 H 2 O (l) (3.2) Uma alternativa para melhorar a eficiência da reação é a utilização de hidróxido de amônio, NH 4 OH, para manter o ph da solução mais básico. Assim, há um aumento do rendimento da reação de precipitação (MENDES FILHO, 2006). Ressalta-se a utilização desse método por boa parte da comunidade científica (VOLKMER, 2006) e a sua conveniente aplicação industrial, já que apresenta como subproduto da reação somente água, não sendo necessários tratamentos posteriores para purificação (KOLTHOFF, 1969 apud VOLKMER, 2006). Além disso, os reagentes utilizados são de baixo custo e de fácil acesso.

39 APLICAÇÕES DA HIDROXIAPATITA A biocompatibilidade da HAp permite que sejam estabelecidas ligações de natureza química com o tecido ósseo permitindo o crescimento do osso ao redor do implante em curto período de tempo, isto é, osteocondução, o que a faz escolha certa para composição de próteses e implantes (VOLKMER, 2006; VAZ, 2007). Depois de implantada e de servir de sustentação para o crescimento ósseo, a HAp passa a ser absorvida pelo organismo, o que resulta no tecido ósseo regenerado no lugar onde o implante de HAp foi alojado (NORDSTRÖM, KARLSSON, 1990). Estudos têm mostrado que a HAp começa a ser reabsorvida gradualmente após 4 ou 5 anos de implante (MUNDSTOCK, 2006). A reabsorção é uma característica desejada em alguns tipos de implantes, de modo que ele possa ser degradado lentamente enquanto é reposto por osso em formação, evitando a presença de material estranho ao organismo durante longos períodos de tempo. Na ortopedia existe um particular interesse em usá-la como revestimento de próteses metálicas para promover a ligação interfacial estável entre o material implantado e o tecido vivo (FULMER, MARTIN, BROWN, 1992). Já na área odontológica, a HAp é utilizada para evitar perda óssea após a restauração ou extração de um dente. E semelhantemente ao que é feito na ortopedia, pinos de titânio revestidos com HAp são usados no implante para a substituição da raiz, promovendo maior ligação entre o implante e o tecido (MAVROPOULOS, 1999). Devido à alta capacidade da HAp de adsorver e/ou absorver moléculas, o seu uso como suporte de ação prolongada de drogas anticancerígenas auxilia no tratamento de tumores ósseos. A introdução de drogas anticancerígenas em blocos de HAp porosa permite que o tratamento da doença seja realizado com a liberação gradual da droga no organismo (FULMER, MARTIN, BROWN, 1992). Essa técnica é atrativa, pois combina o tratamento do tumor com a substituição do osso doente.

40 38 Essa capacidade de adsorção da HAp também a faz adequada para outras funções como adsorvente em cromatografia líquida, devido à sua grande afinidade por proteínas (AKAZAWA, KOBAYASHI, 1996). A capacidade de adsorção da HAp está relacionada à estrutura do poro e à natureza físicoquímica da superfície do sólido. Ainda devido à capacidade de adsorção, a HAp apresenta uma alta capacidade em remover metais perigosos, não só de efluentes e solos contaminados, como também de dejetos industriais (MA, TRALNA, LOGAN, 1993). Essa aplicação tem sido objeto de grandes investigações devido ao alto grau de toxidade desses metais, em especial o chumbo, aliado ao fato da HAp representar um material relativamente barato que poderia ser usado no controle da poluição ambiental (MAVROPOULOS, 1999). Também na área ambiental, a HAp pode ser utilizada como catalisador na decomposição de compostos orgânicos clorados poluentes, provenientes da indústria metalúrgica e da incineração do lixo industrial (NISHIKAWA et al., 1992 apud MAVROPOULOS, 1999). É também um catalisador efetivo para desidratação e desidrogenação de álcoois primários para aldeídos e cetonas, a altas temperaturas (PARRIS, ARMOR, 1991 apud MAVROPOULOS, 1999). Como pode-se constatar, as aplicações da HAp não se restringem somente à área biomédica. Esse material tem grande potencialidade tecnológica e por isso sua obtenção, com qualidade aprimorada e baixo custo, se faz tão necessária e é abordada em diversos estudos científicos. 3.7 UTILIZAÇÃO DA CASCA DE OVO DE AVESTRUZ NA PRODUÇÃO DE HIDROXIAPATITA A busca por novos métodos de obtenção de HAp é de grande interesse devido à importância desse material, conforme mostrado. Por outro lado, a reutilização

41 39 de um resíduo contribui para a preservação do meio ambiente, agrega valor ao mesmo e proporciona economia na obtenção de HAp, já que não é necessária a compra do reagente comercial que seria fonte de íons cálcio. Nesse contexto surgem os procedimentos que buscam o reaproveitamento de resíduos para o preparo de HAp. Discorrendo sobre o método de obtenção de HAp por precipitação por via úmida, Ahmed e Ahsan (2008), relataram que devido à sua simplicidade, baixo custo e facilidade de implementação, a escolha de matérias-primas como fontes de cálcio e fósforo é a chave para a elaboração de novos procedimentos. Assim, a substituição dos reagentes tradicionais por resíduos que possam fornecer esses íons apresenta grande potencialidade de utilização para o método. Partindo dessa premissa, a utilização da COA como fonte alternativa de íons cálcio no método de síntese de HAp se faz viável e de grande interesse, pois esse é um resíduo rico em CaCO 3 e que não possui grandes programas de reaproveitamento, constituindo um resíduo agroindustrial potencialmente poluente e produzido em grande quantidade. Através da reutilização da casca de ovo pode ser produzida HAp de qualidade, além de reduzir os resíduos no meio ambiente. As cascas de ovo são uma fonte renovável de carbonato, ou seja, são constantemente produzidas em quantidade apreciável, e ainda apresentam pureza elevada quando comparadas às jazidas naturais, não havendo gastos com purificação. Nayar e Guha (2009), estudando a utilização de resíduos para a síntese de nanopartículas de HAp, ressaltaram a importância da utilização destes não somente devido ao seu acúmulo no meio ambiente, mas também devido à escassez das matérias-primas naturais, que estão se extinguindo. Além dos fatores citados, o mundo atual necessita diminuir a devastação que está causando ao meio ambiente e para isso é necessário o desenvolvimento de tecnologias limpas, não-tóxicas e ambientalmente amigáveis para procedimentos de síntese (NAYAR, GUHA, 2009), por isso a eliminação de um

42 40 resíduo concomitante com a produção limpa de um material é tão importante e objeto de estudos científicos.

43 41 4 MATERIAIS E MÉTODOS UTILIZADOS A parte experimental desse trabalho foi realizada no Instituto Federal do Espírito Santo (IFES) e as análises para caracterização do material obtido foram feitas por laboratórios especializados e colaboradores, como o LabPetro do Departamento de Química (DQUI) da Universidade Federal do Espírito Santo (UFES); o Laboratório de Caracterização Microestrutural (LCM) da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC); o Laboratório de Cerâmica do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais (PMT); e o Laboratório de Espectrometria de Emissão e Absorção Atômica (LEEAA) do Instituto de Química, ambos pertencentes a Universidade de São Paulo (USP). Nas seções subseqüentes deste capítulo são apresentados os procedimentos experimentais envolvidos na obtenção da Hidroxiapatita (HAp) utilizando a casca de ovo de avestruz (COA) como fonte de cálcio no procedimento experimental, bem como as etapas intermediárias que foram necessárias para a obtenção das matérias-primas alternativas de partida. 4.1 FLUXOGRAMA GERAL DAS ATIVIDADES DESENVOLVIDAS O fluxograma esquemático representado na Figura 4.1 descreve a metodologia de processamento envolvida na obtenção da HAp a partir da utilização da matéria-prima alternativa COA, a qual tem as etapas de seu processamento experimental especificadas na seqüência.

44 42 Casca de Ovo de Avestruz Caracterização da Casca Escolha do Procedimento Experimental e Reagentes Tratamento Térmico da Casca Caracterização do CaO Obtido H 3 PO 4 comercial Suspensão de Ca(OH) 2 Síntese da Hidroxiapatita Teste sem Controle de ph Teste com ph=10 Calcinação da Hidroxiapatita Caracterização da Hidroxiapatita Obtida Figura Fluxograma geral do procedimento executado durante o desenvolvimento deste trabalho experimental.

45 PROCESSAMENTO DA CASCA DE OVO DE AVESTRUZ PARA OBTENÇÃO DE HIDROXIAPATITA Origem As COA utilizadas nesse trabalho foram cedidas pela Fazenda Santa Esmeralda Struthio, que está localizada na cidade de Aracruz, no Estado do Espírito Santo Processamento do Resíduo Limpeza e Moagem da Casca de Ovo de Avestruz As COA (já vazias e inteiras) foram limpas manualmente (lado externo) com água corrente e secas ao ar. Depois de secas foram fragmentadas em pedaços pequenos e estes submetidos à moagem para obtenção de um pó fino em Moinho Almofariz Pistilo Marconi, modelo MA590, no Laboratório de Cerâmica do IFES Caracterização da Casca de Ovo de Avestruz in natura O pó da COA foi submetido a uma caracterização inicial por meio de análises de Difração de Raios X (DRX) e Análise Térmica Diferencial (ATD) e Termogravimétrica (TG), para o conhecimento de suas características quanto à composição cristalográfica e comportamento térmico.

46 Tratamento Térmico da Casca de Ovo de Avestruz O pó da COA foi submetido a um ciclo térmico de aquecimento a 800 C por 3 horas, com taxa de aquecimento de 10ºC/min. Esse tratamento térmico foi realizado em um forno de altas temperaturas, EDG Equipamentos, modelo FI-PQ no Laboratório de Cerâmica do IFES. A escolha da programação do tratamento térmico da COA foi em função dos resultados obtidos na análise por ATD/TG da casca in natura Caracterização do Óxido de Cálcio Obtido Depois da COA ser tratada termicamente, o pó obtido foi analisado por DRX para confirmar a total conversão do carbonato presente na casca em óxido Reação de Precipitação para Obtenção de Hidroxiapatita A reação escolhida para síntese da HAp foi o método de precipitação por via úmida, mais especificamente uma reação ácido-base, conforme a equação (4.1): 10 Ca(OH) 2 (aq) + 6 H 3 PO 4 (aq) Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 (s) + 18 H 2 O (l) (4.1) Para tal, os reagentes utilizados foram o ácido fosfórico comercial (H 3 PO 4 ) e uma suspensão de hidróxido de cálcio (Ca(OH) 2 ), preparada a partir do CaO obtido da casca.

47 45 Para obter a razão molar Ca/P (1,67) da HAp foram utilizados 30 ml de uma solução de H 3 PO 4 2,0M e uma suspensão de Ca(OH) 2 preparada com 5,6 g de CaO diluídos em 150 ml de água destilada, conforme a equação (4.2). CaO (s) + H 2 O (l) Ca(OH) 2 (aq) (4.2) Tabela Quantidades dos reagentes utilizadas na reação. Cálcio Fósforo Razão Ca/P Quantidade 5,6 g de CaO 30 ml de solução 2,0M Mols 0,1 0,06 1,67 A reação de precipitação foi realizada adicionando-se a solução de H 3 PO 4 à suspensão de Ca(OH) 2, estando essa submetida a aquecimento a 40 C (por submersão em banho de glicerina para melhor controle da temperatura) e vigorosa agitação (agitador magnético com aquecimento). O gotejamento da solução de H 3 PO 4 foi realizado por meio de uma bureta e a velocidade manualmente controlada para que fosse aproximadamente 1,0 ml/min. O sistema foi mantido sob agitação e aquecimento por 24 horas, após o término da adição, para o envelhecimento do produto obtido no meio reacional. Ao término desse período, o precipitado foi filtrado, seco em estufa a 100 C, desaglomerado em almofariz de porcelana e calcinado a 800 C por 3 horas. O aparato experimental utilizado na reação de precipitação por via úmida está mostrado na Figura 4.2.

48 46 Bureta para adição de H 3 PO 4 Termômetro phmetro Suspensão de Ca(OH) 2 Banho de glicerina Agitador magnético com aquecimento Figura Aparelhagem utilizada na reação de precipitação por via úmida. Dois testes de síntese foram realizados, no primeiro, visou-se a elaboração de um procedimento experimental simplificado e a utilização do menor número de reagentes comerciais possível. Dessa forma, nessa reação não foi realizada a correção do ph do meio reacional. Já no segundo teste, essa etapa foi acrescentada e o ph foi mantido em torno de 10 com a adição de solução de amônia (NH 4 OH) 1:1 v/v.

49 Caracterização da Hidroxiapatita Obtida A HAp obtida pelo método de precipitação por via úmida foi submetida a uma caracterização através de análises de DRX, Análise Química, Espectroscopia de Infravermelho, Microestrutural, de Distribuição de Tamanho de Partícula e de Superfície Específica para o conhecimento de suas características quanto à cristalografia, composição química, formato e tamanho das partículas obtidas e superfície específica, respectivamente. 4.3 TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO As análises empregadas para a caracterização permitiram avaliar a características da COA e da HAp obtida, bem como as dificuldades encontradas no decorrer do procedimento experimental Análise Térmica Diferencial e Termogravimétrica A análise termogravimétrica é a técnica na qual a variação da massa de uma substância é medida em função da temperatura enquanto esta é submetida a uma rampa de aquecimento com programação controlada. A análise térmica diferencial consiste na medida da diferença de temperatura que pode existir entre uma substância e outra de referência ou inerte, quando ambas são submetidas a um aquecimento ou resfriamento controlado. Mudanças de temperatura na amostra são devido às transições ou a reações exotérmicas ou endotérmicas tais como mudanças de fase, fusão, reações de desidratação e decomposição, dentre outras.

50 48 O estudo do comportamento térmico das amostras foi feito em um equipamento de análise térmica simultânea TA Instruments, modelo SDTQ600, com fluxo de nitrogênio (100.0 ml/min), taxa de aquecimento de 10ºC/min e 20 mg de amostra, no LabPetro, do DQUI da UFES. Como material de referência foi utilizado alumina, Al 2 O Análise Cristalográfica A análise cristalográfica pelo método da Difração de raios X (DRX) permite a identificação das fases cristalinas presentes em uma amostra pela comparação do desconhecido com o conjunto de difração padrão coletado e mantido pelo ICDD (International Crystal Diffraction Database). O método de Rietveld permite a quantificação das fases presentes na amostra a partir de uma análise computacional do difratograma. A análise de DRX foi realizada no Laboratório de Caracterização Microestrutural (LCM) da UFSC. O método de Rietveld foi calculado utilizando o software High Score Plus da Panalytical. O equipamento utilizado nesta técnica foi um difratômetro Philips X Pert, com radiação cobre k, potência de 40 kv e corrente de 30 ma. As análises foram realizadas em amostras na forma de pó no intervalo de medida em 2 entre 3 e 120º Análise Química A análise química do produto obtido foi realizada por Espectrometria de Emissão Atômica com fonte de plasma induzido (ICP OES). O objetivo principal da espectrometria atômica é identificar elementos e quantificar suas

51 49 concentrações em meios variados. O procedimento consiste em três etapas gerais: formação do átomo, excitação e emissão. Uma vez que o elétron é excitado, o átomo emite radiação, que é característica desse elemento em particular, assim faz-se sua identificação. A análise do teor dos íons cálcio e fósforo foi realizada pelo aparelho ICP OES Thermo icap 6300 Duo. Essa análise foi realizada no Laboratório de Espectrometria de Emissão e Absorção Atômica (LEEAA) do Instituto de Química da USP Espectroscopia de Infravermelho A técnica de Espectroscopia de Infravermelho permite a identificação de grupos funcionais na molécula do composto em análise. Isso porque a radiação infravermelha provoca vibração de átomos ou grupos de átomos em um composto, sendo que cada tipo de ligação interatômica tem uma freqüência bem específica. Assim, é possível identificar os grupos funcionais presentes em determinado composto pelas bandas características apresentadas no espectro de infravermelho, como por exemplo, a presença ou não do grupo carbonato na HAp. Essa análise foi realizada no Laboratório de Processos Cerâmicos do PMT da USP. Utilizou-se o equipamento Thermo-Nicolet Magna 560 com capacidade de varredura de 400 a 4000 cm -1 (infravermelho médio) e resolução de 4 cm Análise Microestrutural A Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) fornece informações morfológicas e topográficas sobre as superfícies das amostras analisadas. A

52 50 imagem eletrônica de varredura é formada pela incidência de um feixe de elétrons na amostra sob condições de vácuo. A incidência do feixe de elétrons na amostra promove a emissão de elétrons secundários, retroespalhados, assim como de raios X característicos. A imagem eletrônica de varredura representa em tons de cinza o mapeamento e a contagem de elétrons secundários e retroespalhados emitidos pelo material analisado. A razão principal de sua utilização está associada à alta resolução que pode ser atingida, tipicamente da ordem de 3 nm, e a grande profundidade de foco, da ordem de 300 vezes melhor que a do microscópio ótico, resultando em imagens com aparência tri-dimensional. Essa análise foi realizada no PMT da USP. O aparelho utilizado foi um microscópio Leica Cambridge, modelo Stereoscan 440, com tensão de aceleração de 10 ou 20 kv dependendo das condições técnicas da amostra, com distânica de trabalho de 25 mm. A preparação das amostras (na forma de pó) consistiu em um recobrimento com uma camada fina de uma mistura de Pt- Au Distribuição de Tamanho de Partícula A análise da Distribuição de Tamanho de Partículas por granulometria a laser é feita através de um equipamento com sistema de detectores com luz vermelha, que detecta o espalhamento frontal, lateral e posterior do laser. A fonte de luz vermelha é o laser néon de hélio, cujo comprimento de onda define a faixa de tamanho de partícula que o aparelho mede. Para uma medição correta as partículas devem estar bem dispersas, sendo a escolha do fluido para a análise muito importante. A faixa de detecção do aparelho é de 2 a µm. Essa técnica foi realizada no PMT da USP. Foi utilizado um difratômetro Mastersizer 2000 e o fluido dispersante escolhido para a análise foi a água.

53 Superfície Específica A análise de superfície específica de um material depende fundamentalmente da distribuição de tamanho de partículas, da forma que estas assumem e da porosidade. A superfície específica do produto foi determinada pelo método B.E.T. (Brunauer, Emmett e Teller). A metodologia consiste em remover vapores atmosféricos adsorvidos superficialmente nas partículas através da aplicação de calor em ambiente de baixa pressão. Em seguida, é adicionado um gás adsorvente (N 2 ) na temperatura do nitrogênio líquido em doses incrementais, as quais são registradas em função da pressão presente naquela temperatura dando origem as isotermas de adsorção. Essa técnica foi realizada no Laboratório de Processos Cerâmicos do PMT da USP. As medidas foram realizadas num equipamento Gemini III 2375 Surface Area Analyser (Micromeritics), que utiliza técnica gravimétrica para determinação do volume adsorvido. O tratamento térmico anterior a análise foi realizado a 250 C sob pressão numa unidade VacPrep 061 (Micromeritics) acoplada.

54 52 5 APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Neste capítulo, são apresentados sob a forma de gráficos, tabelas e figuras e discutidos os resultados obtidos através das análises realizadas no programa experimental, descritos no capítulo CARACTERIZAÇÃO DA CASCA DE OVO DE AVESTRUZ IN NATURA Amostras representativas da casca de ovo de avestruz (COA) moída foram selecionadas para a realização dos procedimentos experimentais referentes à caracterização. A Figura 5.1 apresenta fotos da COA como recebida. (a) (b) 5 cm 2 cm Figura Fotografias da casca de ovo de avestruz: (a) inteira; (b) porosidade da casca, sua espessura e o orifício por onde o conteúdo foi removido.

55 53 Pode-se observar o tamanho da COA, a qual possui aproximadamente 15 cm de largura, Figura 5.1(a). Também se pode observar claramente a porosidade da casca, que serve para permitir a troca gasosa com o meio externo durante a formação do embrião, e a espessura da casca, de aproximadamente 2 mm, que pode ser vista através do orifício por onde foi retirado o conteúdo do ovo, Figura 5.1(b) Análise Cristalográfica Pelo resultado da análise de Difração de raios X (DRX) da COA, Figura 5.2, observa-se que esta apresenta um difratograma normalmente associado a fases cristalinas bem definidas, isto é, apresenta picos bem definidos característicos da substância sendo analisada. Pela coincidência dos picos com o padrão ( ), pode-se determinar que essa substância trata-se da Calcita, um polimorfo do CaCO 3 (ICDD, ), componente majoritário das cascas de ovos das aves.

56 54 Figura Difratograma de raios X da casca de ovo de avestruz in natura Análise Térmica A análise térmica permitiu acompanhar as mudanças de comportamento e massa da amostra em função da temperatura e assim pôde-se visualizar onde ocorreram as transformações na amostra. Através da curva sólida correspondente a TG na Figura 5.3 pode-se verificar que a COA apresenta uma pequena perda de massa entre 200 e 450ºC devido à volatilização da matéria orgânica e perda de água. Entre 600 e 800ºC houve uma considerável perda de massa referente à decomposição do CaCO 3 e consequentemente, perda de CO 2, conforme a reação (5.1) abaixo: CaCO 3 (s) CaO (s) + CO 2 (g) (5.1)

57 55 Figura Análise termogravimétrica e diferencial da casca de ovo de avestruz in natura. A partir de 800 C a curva manteve-se constante, não apresentando alterações adicionais, sinal de que um aumento de temperatura até o limite máximo estudado (1100 C) não acarreta mais perdas de massa nesse material. Analisando a curva da ATD (pontilhada), é facilmente observada uma reação endotérmica (descida da curva) em aproximadamente 800 C, resultado da decomposição do CaCO 3 em CaO. Com base nas informações obtidas pelas análises térmicas foi estabelecida a temperatura de 800 C para o tratamento térmico da COA utilizando-se um patamar de 3 horas, para garantir a conversão do carbonato em óxido.

58 TRATAMENTO TÉRMICO DA CASCA DE OVO DE AVESTRUZ Sabendo-se que a COA é composta majoritariamente por CaCO 3, a forma mais fácil de utilizá-la no procedimento da Hidroxiapatita é por meio da sua transformação em Ca(OH) 2. Para isso, foi necessária a obtenção do intermediário CaO que depois foi convertido em Ca(OH) 2. Assim, a etapa de queima estabelecida para este trabalho teve como objetivo converter o CaCO 3 existente na COA in natura em CaO removendo a maior quantidade possível de matéria orgânica, aumentando assim o percentual de óxido. A Figura 5.4 traz uma fotografia para comparação da coloração e granulometria aparente entre a COA calcinada e a não calcinada. 1 cm (a) (b) Figura Fotografia da casca de ovo de avestruz moída: (a) antes da calcinação e (b) depois da calcinação. A COA in natura moída, Figura 5.4 (a), apresentou coloração levemente amarelada, assim como a casca original, e as suas partículas apresentaram-se mais grosseiras que o pó obtido após a calcinação, Figura 5.4 (b), o qual

59 57 apresentou cor branca, em função da remoção de matéria orgânica, e granulometria mais fina. 5.3 CARACTERIZAÇÃO DO ÓXIDO DE CÁLCIO OBTIDO A análise de DRX realizada na casca de ovo calcinada, Figura 5.5, confirmou a conversão do carbonato em óxido de cálcio (ICDD, ) já que não foram detectados picos referentes ao CaCO 3, conforme pode ser comparado com o difratograma da casca in natura, Figura 5.2. Figura Difratograma de raios X da casca de ovo de avestruz calcinada.

60 58 Verificou-se, porém, alguns picos de menor intensidade que pertencem ao hidróxido de cálcio (ICDD, ). Esses picos são resultado da hidratação do CaO pela umidade do ar e não interferem negativamente na utilização do CaO já que a transformação em Ca(OH) 2 é o objetivo da etapa seguinte, onde o óxido de cálcio obtido da COA é solubilizado em água para obtenção de uma suspensão de Ca(OH) 2 para ser utilizada na reação de precipitação. A transformação do CaO em Ca(OH) 2 acontece devido à instabilidade do mesmo em meio aquoso, que se hidrata conforme mostrado na equação (5.2): CaO (s) + H 2 O (l) Ca(OH) 2 (aq) (5.2) 5.4 REAÇÃO DE PRECIPITAÇÃO PARA OBTENÇÃO DE HIDROXIAPATITA Para a síntese de Hidroxiapatita, foram utilizadas pequenas quantidades dos reagentes devido à baixa solubilidade em água do Ca(OH) 2, pois com concentrações maiores seria difícil manter o meio reacional homogêneo. A temperatura do meio reacional foi mantida em aproximadamente 40 C durante a reação e o processo de envelhecimento, que segundo Afshar (2003) é a temperatura própria para se conseguir o produto esperado através da reação de H 3 PO 4 com Ca(OH) 2. De acordo com Lopez e colaboradores (LOPEZ et al., 1997 apud VOLKMER, 2006), quando se quer alcançar uma HAp estequiométrica, é preferível 4- adicionar a fonte de fosfato sobre a de cálcio. Porém, os ânions PO 3 são gerados muito lentamente em soluções que contêm o íon metálico Ca 2+. Desta forma, a reação demanda adição lenta da solução de fosfato à suspensão de hidróxido de cálcio. Se o ácido é adicionado rapidamente, os íons OH - da suspensão são rapidamente consumidos abaixando o ph do meio, o que pode

61 59 causar a obtenção de outros fosfatos de cálcio com razão Ca/P diferentes da HAp. Sendo assim, a solução ácida foi adicionada à suspensão de Ca(OH) 2 com velocidade de gotejamento próxima a 1,0 ml/min. 5.5 CARACTERIZAÇÃO DA HIDROXIAPATITA OBTIDA Teste Sem o Controle de ph Visando elaborar um procedimento simplificado para a síntese da HAp e tendo em mente que a reação de precipitação não deve ser realizada em meio ácido, no primeiro teste foi realizada uma reação onde a fonte de fosfato (H 3 PO 4 ) foi adicionada lentamente à suspensão de hidróxido de cálcio na tentativa de não acidificar o meio reacional, porém não foi feita a adição de nenhuma substância para correção do ph. Contudo, ao final da adição, o valor do ph da suspensão apresentava-se ligeiramente ácido. Observou-se que, nesse teste, o produto final formado após calcinação foi majoritariamente o fosfato tricálcico (TCP - Ca 3 (PO 4 ) 2 ). Além desse, picos de menor intensidade relativos à HAp (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) foram observados no difratograma, Figura 5.6.

62 60 Figura Difratograma de raios X do produto obtido na reação de precipitação sem controle de ph, após calcinação a 800 C/3h. Acredita-se que a obtenção do TCP como produto majoritário seja devido à variação de ph do meio reacional. Apesar do alto valor do ph inicial da suspensão de hidróxido (cerca de 12), devido à baixa solubilidade do Ca(OH) 2, poucos íons OH - estão dispersos na suspensão e esses são rapidamente consumidos quando é iniciada a adição de ácido fosfórico, mesmo em velocidades lentas. Assim ocorre a deficiência de íons OH - livres na suspensão e consequentemente o ph diminui. Verificando-se a sua ineficácia, esse procedimento de síntese foi descartado e optou-se por um onde a basicidade do meio reacional fosse controlada pela adição de uma solução de amônia (NH 4 OH) 1:1 v/v, igualando o valor do ph a 10. Esperava-se, assim, aumentar a eficiência da reação de síntese da HAp.

63 Teste Com Controle de ph Análise Cristalográfica Segundo o diagrama da Figura 3.4 a HAp é estável em meio básico, assim sendo, manter o ph=10 possibilitaria a obtenção de HAp, e isso foi confirmado através da análise de DRX do produto desse novo teste. O difratograma obtido apresenta somente picos característicos da fase HAp de acordo com os dados da ficha JCPDS 9-432, conforme pode ser observado na Figura 5.7. Figura Difratograma do pó precipitado (não calcinado) na reação com ph=10. Depois do pó precipitado ser caracterizado por DRX e verificar-se que foi obtida HAp, esta foi calcinada a 800 C/3h e novamente caracterizada por DRX. O difratograma resultante pode ser observado na Figura 5.8.

64 62 Figura Difratograma de raios X do pó precipitado (calcinado a 800 C/3h) na reação com controle de ph. Apesar do difratograma do pó precipitado, Figura 5.7, só apresentar picos característicos da HAp, quando realizada a calcinação a 800 C/3h verificaramse algumas modificações. Além de favorecer o aumento da cristalinidade da HAp, como pode-se observar na Figura 5.8, onde os picos característicos ficaram mais finos e alongados, o tratamento térmico também promoveu a formação de uma segunda fase, que foi identificada como β-tcp (ICDD, 9-169). O aparecimento do β-tcp como segunda fase após a calcinação da HAp também foi observado por Gouveia (2008) em sua tese de doutorado. A explicação encontrada para esse fenômeno é que na prática foi precipitada a HAp deficiente em cálcio (d-hap, Ca 10-x (HPO 4 ) x (PO 4 ) 6-x (OH) 2-x 0<x<1), que

65 63 possui a mesma estrutura cristalina da HAp estequiométrica e por isso o difratograma de DRX não apresenta diferença do padrão. O surgimento de uma nova fase acontece porque a d-hap (razão Ca/P entre 1,5 e 1,67) é instável a temperaturas acima de 700 C, o que causa a sua decomposição em uma mistura bifásica de HAp estequiométrica (razão Ca/P igual a 1,67) e β-tcp, conforme descrito na literatura (MORTIER, LEMAITRE, ROUXHET, 1989; MOSTAFA, 2005; GOUVEIA, 2008; RAYNAUD et al., 2001). Mortier e colaboradores (1989) propuseram as transformações de fase da d- HAp em diferentes temperaturas até a sua decomposição em HAp e β-tcp: Ca 10-x (HPO 4 ) x (PO 4 ) 6-x (OH) 2-x.nH 2 O (5.3) <250 C (I) Ca 10-x (HPO 4 ) x (PO 4 ) 6-x (OH) 2-x.(H 2 O) x + (n-x)h 2 O (5.4) C (II) Ca 10-x (P 2 O 7 ) x (PO 4 ) 6-2x (OH) x + x H 2 O (5.5) C (III) (1-x) Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 3x Ca 3 (PO 4 ) 2 + x H 2 O (5.6) Assim, elabora-se que apesar dos esforços com controle de ph, aquecimento, estequiometria dos reagentes e taxa de adição de ácido para que fosse sintetizada HAp estequiométrica, na prática foi obtida a d-hap e quando da calcinação a 800 C, essa se decompôs em HAp estequiométrica e β-tcp. Apesar do método da precipitação por via úmida visar a obtenção de HAp estequiométrica, os seus parâmetros (temperatura, velocidade de adição de ácido, agitação, tempo de envelhecimento e estequiometria dos reagentes) podem influenciar nas características da HAp obtida e é necessário um estudo

66 64 mais aprofundado, variando esses parâmetros, até que seja encontrada a condição ideal para síntese de HAp pura. Suchanek, Yoshimura (1998), Dorozhkin (2009) e Mendes Filho (2006) citam que a razão Ca/P da HAp depende diretamente das condições de preparo e na maioria dos casos apresenta-se menor do que a da HAp estequiométrica mesmo que a reação aconteça em condições estequiométricas ideais. Dorozhkin (2009) reforça que a HAp não sinterizada é usualmente pouco cristalina e frequentemente não-estequiométrica. Visando a aplicação como biomaterial, a obtenção de uma mistura desses fosfatos não prejudica a qualidade do mesmo, ao contrário, as características diferenciadas dos dois fosfatos formam um material bifásico, o BCP, que apresenta as melhores propriedades dos dois componentes. De acordo com Kannan e colaboradores (2005) a obtenção de HAp numa mistura bifásica de HAp/TCP não só pode ser usada, como é desejável para aplicações biomédicas, por apresentar propriedades de ambos os componentes. Embora apresentem composição química similar, HAp e TCP diferem quanto a reabsorção em meio biológico, pois a HAp é pouco reabsorvível, enquanto o TCP apresenta alta velocidade de decomposição (PETROV, 2001). Um material cerâmico contendo as fases de fosfatos de cálcio, HAp e TCP, tornase atrativo já que estes materiais são capazes de responder diferentemente às complexas reações do organismo, sem qualquer dano prejudicial. O TCP atua com sua natureza reabsorvível, fazendo com que parte do material seja dissolvida, fornecendo matéria-prima para o crescimento do osso, enquanto a HAp de natureza bioativa, promove uma excelente fixação, permanecendo no local para dar sustentação ao implante (RIBEIRO, 2008). A cristalinidade da HAp não calcinada e da mistura obtida após a calcinação pode ser avaliada qualitativamente pelos difratogramas apresentados na Figura 5.9. É notável a diferença de cristalinidade entre os difratogramas da HAp precipitada e depois de calcinada a 800 C. Amostras contendo picos

67 65 acentuados e agudos (pós calcinados, Figura 5.9 (b) e (c)) tem maior cristalinidade do que amostras que apresentem picos de difração largos, como o pó precipitado Figura 5.9 (a). Figura Difratograma da HAp (a) como obtida, (b) HAp calcinada a 800 C/3h e (c) da HAp comercial.

68 66 O difratograma apresentado na Figura 5.9 (c) é da HAp pura comercial, sintetizada pela empresa incubadora Inside, localizada em Minas Gerais, que utilizou uma reação de precipitação por via úmida entre sais de fosfato e cálcio e temperatura de calcinação igual a 1050 C. Pode-se constatar que para o método da precipitação, a cristalinidade da HAp obtida é diretamente proporcional a temperatura de calcinação. A calcinação da HAp após a precipitação é importante pois a cristalinidade é uma propriedade que altera o índice de dissolução do biomaterial. Com o aumento da temperatura, mais perfeita a forma do cristal e com isso menor o grau de degradação. Quanto menos cristalino for o biomaterial, mais rápida será sua degradação e reabsorção (DALAPICULA et al., 2006). A reabsorção é uma característica desejada em alguns tipos de implantes, porém é necessário que a velocidade de dissolução do biomaterial seja menor que a velocidade de formação do tecido ósseo, para servir de suporte para o crescimento do mesmo. Assim, a HAp precipitada deve ser calcinada para aumentar a sua cristalinidade e resistência a degradação Quantificação das Fases pelo Método de Rietveld Deve-se ressaltar que mesmo após a calcinação da HAp precipitada e obtenção de uma amostra bifásica, a HAp (agora estequiométrica, resultante da decomposição da d-hap) é produto majoritário desta mistura. A intensidade relativa dos picos é uma indicativa disso e, para confirmar, foi feita uma análise quantitativa das fases a partir do difratograma utilizando-se o método de Rietveld. Foi constatado que HAp era o componente majoritário da mistura bifásica, correspondendo a 79,1% em massa da amostra, enquanto o β-tcp corresponde a 20,9% em massa.

69 Análise Química A partir da dedução de que a HAp precipitada era deficiente em cálcio, realizou-se uma análise química para quantificar o teor de íons Ca e P e assim calcular a razão Ca/P da amostra, Tabela 5.1. Tabela Resultados da análise química e razão Ca/P da Hidroxiapatita obtida. Ca P % em massa 30,8073 ± 0, ,8774 ± 0,0001 Massa atômica (g/mol) 40,1 31,0 Mols (100 g amostra) 0,77 0,48 Razão Ca/P 1,60 A análise feita pela técnica de ICP OES resultou numa razão Ca/P igual a 1,60 para a Hidroxiapatita precipitada, o que é consistente com a literatura, que cita que a HAp obtida pelo método da precipitação geralmente possui razão Ca/P entre 1,5 e 1,67, ou seja, é deficiente em cálcio Espectroscopia de Infravermelho Nos espectros de infravermelho da amostra não calcinada, Figura 5.10, e calcinada, Figura 5.11, observou-se bandas características dos grupos funcionais da HAp: ortofosfatos (PO 3-4 ), hidroxilas (OH - ) e ainda bandas correspondentes a H 2 O adsorvida e ao grupo carbonato (CO 2-3 ).

70 68 Figura Espectro de infravermelho do pó precipitado (não calcinado). O grupo fosfato (PO 3-4 ) apresenta quatro modos ativos no infravermelho: modo de vibração de estiramento assimétrico 3, caracterizado por uma banda intensa nas regiões de e cm -1 ; uma banda de intensidade média por volta de 962 cm -1 atribuída às vibrações de estiramento simétrico ; a vibração angular 4, caracterizada por bandas localizadas nas regiões de e cm -1 ; e uma banda fraca na região de cm -1 correspondente à vibração angular 2 (GOUVEIA, 2008; RIBEIRO, 2008; VOLKMER, 2006). Na Figura 5.10 observa-se que as bandas do modo de vibração de estiramento assimétrico 3 do grupo fosfato na região de 1000 a 1100 são largas (característica de amostras pouco cristalinas) e estão sobrepostas. As demais bandas estão presentes e bem definidas. Bandas em 1650 e 3410 cm -1 evidenciam a presença de água incorporada na estrutura da HAp. Verifica-se, na região de cm -1, uma banda larga

71 69 aparentando sobreposição, onde estaria sobreposta uma banda característica da d-hap (correspondente ao grupo PO 3-4 ) não observada nos espectros da HAp estequiométrica, localizada em 2970 cm -1 (LEGEROS, 1991 apud VOLKMER, 2006). Pela dificuldade de visualização, essa banda não foi assinalada no espectro pois sua presença não pôde ser confirmada. Vale ressaltar a ausência de β-tcp, pois a única diferença entre os espectros da HAp e do β-tcp está nas bandas de absorção do grupo P-O na faixa de 500 a 1200 cm -1 (LEGEROS, 1991 apud VOLKMER, 2006). No espectro do β- TCP encontraríamos bandas em 1115, 1096, 1007 e 944 cm -1 e estas não estão presentes, enquanto as bandas em 1090 e 1040 (sobrepostas) e as em 960 e 605 cm -1, características da HAp, são claramente observadas na Figura As bandas nas regiões de e cm -1 foram atribuídas ao íon CO 3 2- e correspondem a vibrações 3 do C-O em regiões de alta energia. Observa-se ainda uma banda em 877 cm -1 referente à vibração 2 em regiões de baixa energia (GOUVEIA, 2008). A presença da banda do grupo CO 2-3 na HAp não calcinada justifica-se pela reação conduzida em atmosfera aberta. A reação assim conduzida é propícia à substituição do dióxido de carbono (presente na atmosfera) na estrutura do cristal (sítios de hidroxilas ou fosfatos) e o espectro de infravermelho é bastante sensível para estas substituições (GOUVEIA, 2008). Miyake (MIYAKE, 1990 apud ARAUJO, 2006) mostrou que na HAp sintética, similar a ossos e dentes, os íons carbonato localizam-se em canais e ocupam os mesmos sítios dos íons fosfato numa razão de 10:1. Isso causa um desvio da estequiometria da amostra sem, no entanto, haver modificações estruturais perceptíveis no padrão de difração (ARAUJO, 2006), por isso essa substituição não foi observada no difratograma da HAp precipitada, Figura 5.7, página 61. Sabendo que as apatitas biológicas são normalmente carbonatadas e ligeiramente deficientes em cálcio (COSTA et al., 2007; VOLKMER, 2006; VALLET-REGÍ, GONZÁLEZ-CALBET, 2004), a presença desse grupo não

72 70 prejudica de forma alguma o uso da HAp como biomaterial (ARAUJO, 2006). Além disso, verifica-se que a intensidade das bandas do carbonato varia depois da calcinação da d-hap, pois com o aquecimento o CO 2 volatiliza-se. Após tratamento térmico a 800 C, a transformação da d-hap em HAp e β-tcp discutida no item anterior ficou evidente. O espectro de infravermelho, Figura 5.11, passou a apresentar bandas características de ambos os compostos. Figura Espectro de infravermelho do pó precipitado calcinado a 800 C/3h. Bandas características do grupo OH- nas regiões de e cm -1 são claramente identificadas. Com o aparecimento da banda do OH - em 630 cm -1, fica evidente um sinal característico da HAp: um triplete bem definido que 3- se relaciona com as ligações PO 4 em 601 e 570 cm -1 e a ligação OH do grupo apatita em 630 cm -1 (VOLKMER, 2006).

73 71 Depois da calcinação, o espectro também passa a apresentar uma das bandas características do grupo fosfato do β-tcp, em 944 cm -1 (assinalado com * no espectro). Isso comprova a decomposição da d-hap em HAp estequiométrica e β-tcp depois do tratamento térmico. Verifica-se que as bandas 2- correspondentes ao íon CO 3 em , e 877 cm -1 ainda estão presentes, porém em menor intensidade, o que indica que a decomposição da d-hap foi incompleta e ainda há traços da mesma na amostra Análise Microestrutural As imagens obtidas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) da amostra estão apresentadas na Figura Estas micrografias com diferentes aumentos mostram a morfologia de um aglomerado de grãos de granulometria variada. (a) (b) (c) 100µm (d) 100µm 20µm 20µm Figura Micrografias do pó (a) e (c) precipitado e (b) e (d) calcinado.

74 72 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), característica apresentada pelo produto obtido nesse trabalho. Boss e colaboradores (BOSS et al.,1995 apud DALAPICULA et al., 2006) mostraram que o implante de partículas de forma regular e superfície lisa geralmente induz uma resposta inflamatória de curta duração, seguida da incorporação adequada do material ao tecido hospedeiro e por outro lado partículas de forma irregular e pontiaguda provocam uma reação granulomatosa, acompanhada de destruição e reabsorção dos tecidos vizinhos Distribuição de Tamanho de Partícula Para precisar o tamanho das partículas observadas na microscopia eletrônica de varredura, foi realizada a análise de granulometria a laser. A distribuição de tamanho das partículas na amostra está apresentada na Figura 5.13.

75 73 Figura Histograma da distribuição de tamanho de partículas da mistura bifásica obtida após a calcinação da Hidroxiapatita precipitada. Verificou-se que a mistura obtida após calcinação da Hidroxiapatita apresenta partículas de tamanhos entre 0,1 e 100 m Superfície Específica O resultado da análise de superfície específica foi de 11,70 m²/g para a amostra calcinada. Vale ressaltar que o pó calcinado foi somente desaglomerado em almofariz de porcelana. Uma moagem mais agressiva, como em moinho automático, por exemplo, poderia aumentar o valor de ASE, o que seria interessante, visto que um valor considerável de superfície específica é uma característica desejável para aplicações como biomaterial. Para os materiais bioativos, como a HAp, que servem de substrato para o crescimento do tecido ósseo e depois do tecido formado são absorvidos pelo