ESTUDO DA FORMAÇÃO IN VITRO DE FOSFATO DE CÁLCIO NA SUPERFÍCIE DE PÓS VÍTREOS DE SISTEMAS CaO-SiO 2 - MxOy VIA SOL - GEL

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS THAÍS PATRICIO VIEIRA ESTUDO DA FORMAÇÃO IN VITRO DE FOSFATO DE CÁLCIO NA SUPERFÍCIE DE PÓS VÍTREOS DE SISTEMAS CaO-SiO 2 - MxOy VIA SOL - GEL FLORIANÓPOLIS 2007

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS THAÍS PATRICIO VIEIRA ESTUDO DA FORMAÇÃO IN VITRO DE FOSFATO DE CÁLCIO NA SUPERFÍCIE DE PÓS VÍTREOS DE SISTEMAS CaO-SiO 2 - MxOy VIA SOL - GEL Trabalho de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos para obtenção do título de Engenheiro de Materiais. Orientadores: Márcio Celso Fredel, Dr.-Ing. Maria Helena Figueira Vaz Fernandes, Dra. Isabel Margarida Miranda Salvado, Dra. Co-orientadora: Ana Paula Marzagão Casadei, M.Sc. FLORIANÓPOLIS 2007 ii

3 THAÍS PATRICIO VIEIRA ESTUDO DA FORMAÇÃO IN VITRO DE FOSFATO DE CÁLCIO NA SUPERFÍCIE DE PÓS VÍTREOS DE SISTEMAS CaO-SiO 2 - MxOy VIA SOL - GEL Este Trabalho de Graduação foi julgado adequado para obtenção do título de Engenheiro de Materiais e aprovado em sua forma final pelo Curso de Graduação em Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina. Prof. Dylton do Vale Pereira Filho, M. Sc. Coordenador do Curso Comissão Examinadora Prof. Márcio Celso Fredel, Dr.-Ing. Orientador Prof. Guilherme Mariz de Oliveira Barra, Dr. Membro Prof. Dylton do Vale Pereira Filho, M.Sc. Membro iii

4 Ficha Catalográfica VIEIRA P., Thaís. Estudo da formação in vitro de fosfato de cálcio na superfície de pós vítreos de sistemas CaO-SiO 2 -MxOy via sol - gel. Thaís Patricio Vieira p. Orientadores: Márcio Celso Fredel, Maria Helena F.V. Fernandes e Isabel M. M. Salvado. Trabalho de conclusão de curso (graduação) Universidade Federal de Santa Catarina, Curso de Engenharia de Materiais, Sol gel 2. Bioatividade in vitro 3. Vidros bioativos I. Fredel, Márcio Celso, II. Fernandes, Maria Helena Figueira Vaz, III. Salvado Isabel Margarida Miranda, IV. Universidade Federal de Santa Catarina. Curso de Engenharia de Materiais. V. Título iv

5 A Taurino Patricio (in memoriam), a meus pais e a toda minha família pela confiança e apoio depositados, e a Daniel Tridapalli por toda paciência e incentivo. v

6 Agradecimentos Ao curso de Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina e a Universidade de Aveiro, pela oportunidade de realização do intercâmbio Brasil Portugal. Ao Departamento de Engenharia de Cerâmica e do Vidro da Universidade de Aveiro, pela acolhida aos alunos brasileiros. Ao orientador da Universidade Federal de Santa Catarina, Dr. Márcio Celso Fredel, por toda disposição, apoio e orientação neste trabalho. Às orientadoras de projeto na Universidade de Aveiro, Dra. Maria Helena Figueira Vaz Fernandes e Dra. Isabel Margarida Miranda Salvado pela dedicação, simpatia e esclarecimento de dúvidas. À Ana Paula M. Casadei pela co-orientação atenção e ajuda, disponibilizadas neste trabalho. À Ana Margarida B. Silva pela instrução na realização das tarefas e pela amizade depositada. Às meninas do laboratório de biomateriais, Ana Teresa, Bárbara, Érika, Nathalie, pelo apoio e pelo ambiente agradável que proporcionaram no laboratório. À Célia, Maria Conceição e Marta, do Departamento de Engenharia da Cerâmica e do Vidro que contribuíram para realização dos experimentos. Ao Dylton do Vale Pereira Filho, Guilherme Mariz de Oliveira Barra pela participação junto à banca examinadora. Ao Daniel Tridapalli, por todos os momentos de incentivo, tranqüilidade e carinho durante as situações mais difíceis. Aos amigos e à família, pelos momentos de descontração, apoio e a todos os que contribuíram para realização deste trabalho. Aos meus pais por todo incentivo, apoio e confiança depositados em mim. vi

7 Resumo O trabalho apresentado foi realizado com a parceria do Departamento de Engenharia da Cerâmica e do Vidro e do Laboratório de Biomateriais na Universidade de Aveiro, em Portugal, e estuda o comportamento de pós de sistemas vítreos CaO-SiO 2 -MxOy (M=B, P, Zr, Ti) preparados pelo procedimento sol gel em meio biológico. Pretendeu-se avaliar a formação de fosfatos de cálcio por meio da imersão das amostras em um fluido fisiológico simulado (SBF - simulated body fluid), e mantidos a 37 ºC, temperatura que simula o meio biológico, durante 2 h, 7 h, 1 dia, 7 dias e 14 dias. Após os períodos de incubação, foram analisados os pós e a solução de SBF, com o propósito de verificar alterações nas superfícies dos sistemas vítreos. A caracterização dos sistemas foi realizada através da Difração de Raios-X, Microscopia Eletrônica de Varredura-EDS, permitindo a análise das modificações superficiais e formação de fosfato de cálcio nas amostras. As soluções de SBF foram analisadas quanto ao ph e quanto às concentrações de íons, através da técnica de Espectrofotometria de Emissão por Plasma (ICP). Os biovidros apresentaram indícios de formação de hidroxiapatita, sendo isso mais representativo nos vidros com P na sua composição. Os vidros de B, Zr e Ti apresentam evidências para características bioativas, mas sem uma formação definida de hidroxiapatita. vii

8 Abstract This work was done by a partner of the Department of Engineering of Ceramics and the Glass and the Laboratory of Biomaterials in the University of Aveiro, in Portugal. The work studies the comportment of glass system CaO-SiO 2 -MxOy powder, made by sol gel process. It was available the calcium-phosphate layer on the glass powder soaked in SBF (Simulated Body Fluid), at 37 ºC, during several time (2 h, 7 h, 1 day, 7 days and 14 days). After these times, the powder and SBF was analyzed to understand the glass system surface changes. X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy coupled with X-ray energy dispersive spectroscopy (SEM- EDS) was used to characterize the powder glass, showing the surface changes and the Ca-P layer formation. The SBF solutions was analyzed by ph measurement and ions concentration, it was measured by the ICP (Inductively Coupled Plasma). The bioglasses indicate of hydroxyapatite (HA) formation, most representative in glasses with P. The glasses with B, Zr and Ti showing bioactive characteristic, but without a HA formation. viii

9 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Comparação dos processos convencional e de sol gel para fabricação de materiais vítreos Figura 2. Passos do processo de fabricação de vidro gel bioativo pelo método de sol gel [11] Figura 3. Seqüência de reações interfaciais envolvidas na formação de uma ligação entre osso e vidro bioativo Figura 4. Esquema representativo do mecanismo de formação da apatita em superfícies de vidros e vitro - cerâmicas de base CaO, SiO 2 em SBF Figura 5. Gráfico representativo dos valores de ph para as amostras em todos os tempos de imersão em SBF Figura 6. Imagens de MEV para as amostras 1) CaO-SiO 2 -TiO 2, 2) CaO-SiO 2 -P 2 O 5 (2), para os tempos a) sem imersão em SBF, b) 7 h, c) 7 dias e d) 14 dias de imersão em SBF Figura 7. Gráficos das concentrações de (a) Ca, (b) Si, (c) P e (d) B, Ti e Zr para as amostras em todos os tempos de imersão (0 h, 2 h, 7 h, 1 dia, 7 dias e 14 dias) Figura 8. Espectros de raios-x do sistema CaO SiO 2 TiO Figura 9. Espectros de raios-x do sistema CaO SiO 2 ZrO 2 (1) Figura 10. Espectros de raios-x do sistema CaO SiO 2 ZrO 2 (2) Figura 11. Espectros de raios-x do sistema CaO SiO 2 B 2 O Figura 13. Espectros de raios-x do sistema CaO SiO 2 P 2 O 5 (2) e (3) Figura 14. Espetros de algumas das amostras, a) CaO-SiO 2 -TiO 2, b) CaO-SiO 2 -ZrO 2 (1), c) CaO- SiO 2 -P 2 O 5 (3), com seus respectivos gráficos com representação da evolução das concentrações de Ca e P com os tempos de 0 h, 7 h, 7 dias e 14 dias de imersão Figura 15. Espectros de raios-x do sistema CaO SiO 2 TiO 2. após 14 dias em SBF Figura 16. Espectros de raios-x do sistema CaO SiO 2 ZrO 2 (1) após 14 dias em SBF Figura 17. Espectros de raios-x do sistema CaO SiO 2 ZrO 2 (2) após 14 dias em SBF Figura 18. Espectros de raios-x do sistema CaO SiO 2 B 2 O 3 após 14 dias em SBF Figura 19. Espectros de raios-x do sistema CaO SiO 2 P 2 O 5 (1) após 14 dias em SBF Figura 20. Espectros de raios-x do sistema CaO SiO 2 P 2 O 5 (2) após 14 dias em SBF Figura 21. Espectros de raios-x do sistema CaO SiO 2 P 2 O 5 (3) após 14 dias em SBF ix

10 ÍNDICE DE QUADROS Quadro 1. Aplicações químicas dos biomateriais [1]... 4 Quadro 2. Classificação das biocerâmicas [1] Quadro 3. Diferenças entre as classes de materiais bioativos [20] Quadro 4. Quantidades de precursores utilizados para cada sistema Quadro 5. Quantidades de compostos utilizados em cada sistema (sendo X, o composto que diferencia cada sistema) Quadro 6. Concentração de íons do SBF em comparação com o plasma humano [4] Quadro 7. Esquema das temperaturas dos tratamentos térmicos para cada sistema até obter o estado amorfo Tabela 1. Variações das concentrações de Ca nos vidros antes de imersão e nas soluções de SBF x

11 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS n Número inteiro λ Comprimento de onda dos raios X incidentes d Distância interplanar θ Ângulo de difração µm micrômetros Aº Ângstrons ºC Graus Celsius ºC/min Graus Celsius por minuto EDS Espectroscopia por Dispersão de Energia (energy dispersive x-ray fluorescence) ETOH Etanol HA Hidroxiapatita HNO 3 Ácido nítrico ICP Infra-red coupled plasma MEV Microscópio eletrônico de varredura m 2 /g Metros quadrados por grama ml Mililitros Na(NO 3 ) 2 Nitrato de cálcio nm Nanômetros PMMA Polimetil metacrilato PrZr Propóxido de zircônio PTFE Politetrafluoretileno SBF Fluido fisiológico simulado (simulated body fluid) Si OH Silanol Si O Si Ligação covalente entre o átomo de silício e oxigênio TEOS Tetraetilortosilicato Ti OH Ligação covalente entre o átomo de titânio e hidroxila Ti O Ti Ligação covalente entre o átomo de titânio e oxigênio TiPr Isopropóxido de titânio xi

12 Sumário 1. INTRODUÇÃO OBJETIVOS REFERENCIAL TEÓRICO BIOMATERIAIS E BIOCERÂMICOS Desenvolvimento dos primeiros Vidros Bioativos Vidros Bioativos produzidos por sol - gel Sistemas de vidros bioativos PROCESSO SOL GEL Métodos de preparação Métodos de fabricação ESTUDO DE BIOATIVIDADE Características do tecido ósseo Hidroxiapatita biológica Características do sistema in Vitro Hidroxiapatita in Vitro DIFRAÇÃO DE RAIOS-X MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA ICP ESPECTROFOTOMETRIA DE EMISSÃO POR PLASMA METODOLOGIA MATERIAIS E MÉTODOS Precursores do sol gel Precursores do SBF Procedimento Experimental Processo sol - gel Imersão em SBF RESULTADOS E DISCUSSÕES ANÁLISE DE DIFRAÇÃO DE RAIOS-X NOS DIFERENTES SISTEMAS VÍTREOS ANÁLISE DOS COMPOSTOS APÓS TESTE DE BIOATIVIDADE CONCLUSÕES xii

13 7. SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXO A Análises de Raios-X nos vidros antes dos testes in vitro ANEXO B Análises mais significativas de EDS nos vidros ANEXO C Resultados de Raios-X após 14 dias de ensaio in vitro xiii

14 1. INTRODUÇÃO O aumento da expectativa de vida do homem, como conseqüência dos avanços da medicina, da maior preocupação com a alimentação e do conforto gerado pela "vida moderna", tem resultado no aumento da população de idosos e, conseqüentemente, das doenças relacionadas à velhice. A magnitude destes problemas de saúde junto à população tem levado pesquisadores de várias áreas, à procura de materiais que possam substituir de forma apropriada partes do corpo injuriadas. Os materiais utilizados para estas substituições enquadram-se em uma classe denominada de biomateriais e devem apresentar propriedades físicas e biológicas compatíveis com os tecidos vivos hospedeiros, de modo a estimular uma resposta adequada dos mesmos. Tais propriedades caracterizam a biocompatibilidade. Os materiais sintéticos utilizados podem ser metálicos, poliméricos, compósitos, cerâmicos e vítreos [1]. O processo sol-gel, utilizado na fabricação de componentes bioativos, tem evoluído durante a produção de novos biomateriais [2]. O processo permite variações estruturais sem necessidade de alterar composição, ao contrário, dos vidros produzidos pelo método de fusão convencional que necessitam da adição de óxidos modificadores para alterar a estrutura [3]. O método sol gel, comparativamente ao processo de fusão convencional, requer baixas temperaturas de processamento e melhor facilidade de produção dos pós; promove também, melhor bioatividade dos vidros devido à maior porosidade nanométrica e sílica solúvel liberada para induzir à nucleação de cristais de hidroxiapatita nos poros, aumentando o controle texturial do material [4]. O sistema in vitro tem ganhado bastante importância em estudos para análise de biocompatibilidade de materiais. O sistema in vitro corresponde a um ambiente que tem por finalidade a reprodutibilidade do sistema biológico vivo, criado com a pretensão de poupar organismos vivos com as experiências laboratoriais. A efetivação destes testes in vitro é atribuída a uma solução com concentrações de íons semelhantes às presentes no plasma humano chamada Simulated Body Fluid (SBF). Neste trabalho, desenvolvido na Universidade de Aveiro, na colaboração do departamento de Engenharia da Cerâmica e do Vidro e do Laboratório Central de Análise, propõe-se o estudo da produção de componentes bioativos através do processo de sol-gel. 1

15 2. OBJETIVOS O trabalho tem como objetivo geral analisar o comportamento de diferentes sistemas vítreos produzidos a partir do procedimento sol-gel, quando submetidos a testes in vitro, e avaliar sua capacidade de formação da camada de Ca-P característica de elementos bioativos. Com base no que foi descrito, tem-se os seguintes objetivos específicos: Preparar composições de sistemas vítreos CaO-SiO 2 -MxOy (M=B, P, Zr, Ti), a partir do procedimento sol-gel. Verificar a interação dos diferentes sistemas em meio fisiológico (SBF). Verificar a capacidade de formação de hidroxiapatita na superfície dos referidos sistemas, por meio de estudos com microscopia eletrônica de varredura - EDS, ICP e difração de raios-x. 2

16 3. REFERENCIAL TEÓRICO 3.1 BIOMATERIAIS E BIOCERÂMICOS A constante modernização dos meios científicos e biológicos tem contribuído para o desenvolvimento de tecnologias com o objetivo de aumentar a longevidade dos seres vivos. Relativamente ao ambiente biológico, o homem tem evoluído consideravelmente, seja no ramo da genética ou de próteses. A preocupação com a substituição de ossos ou tecidos vivos danificados fez com que houvesse o surgimento de materiais biocompatíveis com organismos vivos, os chamados biomateriais. Estes materiais sintéticos podem ser metálicos, poliméricos, compósitos, cerâmicos e vítreos. Em geral, os biomateriais utilizados na reposição dos chamados tecidos moles ou flexíveis são muito diferentes daqueles usados na substituição de tecidos duros (ossos e dentes) devido às diferentes resistências mecânicas requeridas. O quadro 1, a seguir, relaciona algumas aplicações de biomateriais sintéticos [1]. Dentre a classe de biomateriais, são geralmente usados cerâmicas, vidros e vitro-cerâmicas bioativos para reparar ou substituir tecidos. O sucesso depende da estabilidade da ligação com os tecidos [5]. 3

17 Quadro 1. Aplicações químicas dos biomateriais [1]. BIOMATERIAL VANTAGENS DESVANTAGENS APLICAÇÕES Polímeros Polietileno Artérias, veias, maxilofacial (nariz, orelha, PTFE Elasticidade, fácil Baixa resistência mecânica, Poliéster fabricação, baixa degradação depende do maxilar, mandíbula, Poliuretano densidade. tempo. dente), cimento, tendão PMMA artificial, oftalmologia. Silicone Metais e Ligas Aço inoxidável Baixa Alta força de Liga de titânio biocompatibilidade, corrosão Fixação ortopédica tensão, alta Liga de cobaltocromo das propriedades mecânicas hastes), implantes em meio fisiológico, perda (parafuso, pinos, fios, resistência a desgaste, energia de com tecidos conectivos dentários. deformação alta. moles, alta densidade. Cerâmicas e vidros Alumina Boa Zircônia biocompatibilidade, Ossos, juntas, dentes, Baixa força de tensão, baixa Carbono resistência à válvulas, tendões, vasos resistência mecânica, baixa Fosfato de cálcio corrosão, inércia, sangüíneos e traquéias elasticidade, alta densidade. Porcelana alta resistência à artificiais. Vidros bioativos compressão. Compósitos Fibra de carbonoresina termofixa Fibra de carbonotermoplástico Carbono-carbono Fosfato de cálciocolágeno Boa biocompatibilidade, inércia, resistência à corrosão, alta força de tensão. Material de fabricação de difícil compatibilidade. Válvula cardíaca artificial (carbono ou grafite pirolítico), implantes de juntas de joelho (fibra de carbono reforçada com polietileno de alta densidade). 4

18 3.1.1 Desenvolvimento dos primeiros Vidros Bioativos Os Vidros bioativos tiveram início na década de 70 com o surgimento do Bioglass 45S5 de composição 46.1SiO 2, 2.6P 2 O 5, 26.9CaO e 24.4Na 2 O %molar, desenvolvido por Larry L. Hench. Assim como, outros vidros da série Bioglass que incluem adições de Ba 2 O 3 ou CaF 2, são eles os chamados vidros 45S5.4F, 45B15S5, 52S4.6, 55S4.3. O Bioglass 45S5 tem sido aplicado clinicamente sob a forma de granulado e também sobre a forma de vidro monolítico. O 45S5 granulado tem sido usado em estomatologia, no enchimento de cavidades ósseas periodontais. Também pode ser aplicado em enchimento ósseo após a extração de tumores, em cirurgia de ouvido, na reparação de defeitos calcários nos ossos do crânio e em cirurgia maxilo - facial. Na forma de monolítico, o 45S5 tem sido usado em cirurgia de ouvido médio, na implantação de vértebras, sob forma de cones utilizados no preenchimento dos alvéolos resultantes da extração de dentes. Recentemente foi conseguida a conformação em fita (tape casting) e em forma de fibras do 45S5, o que poderá permitir através do tape casting, a obtenção de formas complexas pela justaposição de camadas sucessivas, que poderão ser úteis para reparação de defeitos craniofaciais. E através da forma de fibras, a utilização do material é feita na engenharia de tecidos ou como reforço estrutural com matriz de biopolímero [6] Vidros Bioativos produzidos por sol - gel Um dos vidros geles bioativos foi desenvolvido por Hench e colaboradores, designa-se pela sigla 58S, com sua composição de 58SiO 2, 36CaO, 6P 2 O 5, %p/p; 60SiO 2, 36CaO, 4P 2 O 5, mol% e já se encontra comercializado. O 58S foi usado em recobrimento de implantes cerâmicos de alumina, conferindo-lhes propriedades bioativas. Outro vidro gel desenvolvido foi o S53P4, desenvolvido pela Universidade de Turku, Finlândia. Sua composição é 53SiO 2, 20CaO, 4P 2 O 5, 23Na 2 O %p/p, também vem sendo usado comercialmente. Características associadas a este biovidro são a redução da viabilidade de bactérias patogênicas orais, sendo assim utilizado na formulação de produtos destinados à profilaxia dentária [6]. 5

19 Sistemas de vidros bioativos Com o desenvolvimento de pesquisas e estudos relacionados às biocerâmicas, vários sistemas são possíveis para a utilização como biomateriais. No presente trabalho, são testados vidros CaO-SiO 2, estudados por Ebizawa et al. e Ohtsuki et al. [17], contendo elementos que estão sendo utilizados no desenvolvimento de novos sistemas bioativos. Estão eles detalhados a seguir. Sistema CaO SiO 2 ZrO 2 [22, 23] O óxido de Zircônio tem sido utilizado em vidros, com característica de elevar a sua resistência química em um amplo intervalo de ph, além de elevar a durabilidade química, promover a nucleação e cristalização dos vidros. Também é utilizado em materiais cerâmicos nas aplicações convencionais de fabrico de refratários eletrofundidos, material de moagem e cadinhos, na opacificação de esmaltes, na preparação de materiais tenazes para fabrico de motores cerâmicos, ferramentas de corte, próteses e revestimentos [3]. Sistema CaO SiO 2 B 2 O 3 [7] Este vidro bioativo caracteriza-se por limitação nas suas aplicações em biomateriais devido às baixas propriedades mecânicas. Entretanto, a cristalização deste sistema de vidros bioativos pode melhorar as propriedades mecânicas do osso, como tensão de dobramento, tensão de compressão e tenacidade à fratura [7]. O anidrido bórico, B 2 O 3, é um excelente formador de vidro, sendo componente essencial dos vidros de borosilicato, entre os quais se incluem os vidros Pyrex [24]. Sistema CaO SiO 2 TiO 2 [3] O óxido de Titânio tem influência em vidros de sílica no coeficiente de expansão térmica, chegando a valores muito baixos ou até zero se for introduzida muita quantidade do óxido. Isso acontece, devido à atuação do TiO 2 como formador de rede, apresentando os íons titânio uma coordenação tetraédrica semelhante à da rede de sílica. Além da influência nas propriedades de expansão térmica, o óxido de titânio confere aos vidros um elevado índice de refração, boa estabilidade química, é utilizado para promover nucleação de materiais vitro-cerâmicos com baixo coeficiente de dilatação, e aparece em sistemas de comunicação óptica, microóptica [3]. 6

20 Sistema CaO SiO 2 P 2 O 5 [25] Este sistema é um dos mais básicos na produção de materiais bioativos para o uso em implantes ósseos. Ainda é preferencialmente produzido por fusão, mas há estudos recentes de sua fabricação pelo método de sol gel [9]. O pentóxido de fósforo (P 2 O 5 ), é um eficaz formador de vidro, utilizado em indústria de vidro tradicional (pouco), em indústria óptica, devido às suas aplicações em microeletrônicas, nanofótons e condutores iônicos [8]. 3.2 PROCESSO SOL GEL Sol - gel é um processo químico que começou a ser comercializado no fim da década de 90 e está sendo utilizado para produção de cerâmicas, vidros, vitro - cerâmicos e compósitos a temperaturas mais baixas do que nos processamentos tradicionais, possibilitando um controle maior da superfície química nos materiais resultantes. O método de sol gel apresenta uma maior flexibilidade no processo, quando comparado aos métodos de fusão à alta temperatura e moldagem de vidros, ou sinterização, ou conformação a quente de cerâmicas. Algumas das vantagens do processo sol - gel em biomateriais inorgânicos incluem: flexibilidade para novas composições, maior homogeneidade, maiores níveis de pureza, baixas temperaturas de revestimentos de substratos, além de ter menor consumo energético e baixo impacto ambiental [10]. A formação de HA nos vidros produzidos por sol gel, é mais rápida do que nos vidros produzidos por fusão. Isso porque, os vidros geles têm maior fração volumétrica de porosidades nanométricas e silanols na superfície [11]. O controle da taxa de sílica solúvel liberada induz um maior controle das propriedades texturiais do material, como a área superficial, o volume dos poros, a distribuição homogênea dos tamanhos dos poros e a modificação da superfície da sílica [4]. Um dos problemas relacionados aos vidros produzidos pelo método sol gel, caracterizase pela restrição de regiões no organismo em que pode ser aplicado, visto que, devido ao seu caráter frágil, devem ser utilizados em locais onde não há muita exigência de carga mecânica, como na substituição de pequenos ossos do ouvido interno, por exemplo [4]. 7

21 3.2.1 Métodos de preparação O processo sol-gel envolve dois métodos de preparação de materiais através de soluções. Um método consiste na preparação de suspensões de finas partículas coloidais e o outro corresponde ao método dos alcóxidos, que se caracteriza por hidrólise, polimerização e desidratação de soluções de alcóxidos metálicos [3]. No método dos alcóxidos as temperaturas necessárias para a conversão gel vidro são de aproximadamente 500 ºC e 600 ºC. Com estas temperaturas, podem ser evitados alguns fatos inconvenientes que acontecem a temperaturas elevadas como a separação de fases e cristalização, além de possibilitar a preparação de materiais com teores elevados de refratários, impossíveis de preparar pelo método de fusão convencional, devido a problemas de volatilidade de componentes do fundido e de corrosão dos materiais onde se realiza a fusão [3]. A seguir está uma figura comparativa entre os processos de fusão convencional e sol gel a partir de alcóxidos, para preparação de materiais vítreos. Figura 1. Comparação dos processos convencional e de sol gel para fabricação de materiais vítreos. 8

22 3.2.2 Métodos de fabricação Os métodos de fabricação sol gel envolvem a criação de uma rede tridimensional interconectada, denominada gel, de uma suspensão de pequenas partículas coloidais, chamadas de sol. Colóides são partículas sólidas de diâmetros menores que 100 nm. Um sol é uma dispersão de partículas coloidais. A rede do gel pode ser formada por hidrólise e condensação de precursores alcóxi - metálicos líquidos. Para a fabricação de vidros geles ou cerâmicos pelo processo sol gel, são envolvidos sete passos. No primeiro passo, mostrado na figura 2, são misturados os precursores que formam o sol de baixa viscosidade (passo 2). À medida que a rede desenvolve interconexões a viscosidade é aumentada. A gelificação (passo 3) ocorre em um molde ou em uma superfície de um substrato formando um objeto sólido ou revestimento de uma superfície. Pós podem ser feitos com a distribuição de tamanhos altamente controlada. A rede tridimensional é completamente cheia com líquido do poro. O envelhecimento (passo 4) envolve retenção destes líquidos nos poros por várias horas a 25 ºC 80 ºC. Isto conduz a reprecipitação que aumenta a espessura dos pescoços interpartículas, a densidade, e a tensão na rede do gel. O líquido do poro é removido durante a secagem (passo 5), Geles coloidais são facilmente secos desde que seus tamanhos de poros sejam grandes, maiores que 100 nm. Geles feitos a partir de alcóxidos têm poros muito pequenos (1 nm 10 nm) e desta forma as tensões capilares podem aumentar durante a secagem. Geles secos sob temperatura ambiente e baixas temperaturas são designados xerogéis. O termo genérico gel geralmente se aplica a um xerogel. O controle cuidadoso das taxas de hidrólises e condensação no passo 1 pelo uso de catalisadores ácidos ou básicos, é requerido para produção de distribuição de tamanho de poros muito estreita em xerogéis, necessário para reduzir gradientes de tensão na secagem. Um gel é seco (passo 5) quando a água adsorvida fisicamente é completamente eliminada dos poros. Isto requer aquecimento a taxas controladas de temperaturas de 120 ºC 180 ºC. A área superficial dos geles é muito grande, m 2 /g. O tamanho dos poros pode variar de 1 nm 12 nm. A estabilização do gel seco, passo 6, é necessária para o controle da estabilidade ambiente do material. Tratamento térmico na escala de 500 ºC 900 ºC dissolve superfície de silanols (Si OH) e elimina associações tridimensionais de anéis de sílica do gel. A estabilização também aumenta a densidade, tensão e dureza dos geles e converte a rede para o vidro com propriedades 9

23 da rede similares aos vidros derivados de fusão. Densificação dos vidros geles (passo 7) derivados dos alcóxidos é completado a uma escala de 900 ºC 1150 ºC dependendo da composição. Hidróxidos e água adsorvida podem ser removidos dos geles previamente para o fechamento dos poros. Uma vantagem importante do processo sol gel é a habilidade de controlar a superfície química do material por estes tratamentos térmicos [10]. Figura 2. Passos do processo de fabricação de vidro gel bioativo pelo método de sol gel [11]. 3.3 ESTUDO DE BIOATIVIDADE O termo bioatividade, no início da década de 70 foi usado primeiramente, para descrever a habilidade que certas composições de vidros para se ligarem ao tecido ósseo circundante ao implante, induzindo a formação de uma camada de Hidroxiapatita (HA) em sua superfície. Atualmente, são verificados outros materiais cerâmicos como a HA sintética, o fosfato tri - cálcio sinterizado e algumas vitro - cerâmicas que podem ser bioativas sob certas condições de síntese [4]. Segundo Hench (1990), bioatividade é a característica de um material implante que permite formar uma ligação com tecidos vivos. Materiais que não são bioativos formam uma camada de tecidos fibrosos não aderentes à interface do implante. Em contraste, materiais bioativos desenvolvem uma interface aderente com tecidos, mesmo quando o material tiver uma superfície lisa [12]. Os fatores que contribuem para a bioatividade são a química, forma, 10

24 mecânica, e design do implante [5]. O mecanismo de ataque dos tecidos com o implante está diretamente relacionado com a resposta do tecido à interface do implante. Assim, segundo Larry Hench, há quatro tipos de biocerâmicas, cada uma com diferente tipo de ataque ao tecido (quadro 2). Quadro 2. Classificação das biocerâmicas [1]. Tipo de Biocerâmica Interações com os Tecidos Exemplos Inertes Não há interações químicas nem biológicas. Bloqueio mecânico (Fixação morfológica). Al 2 O 3, Zircônia Porosas Ocorre crescimento interno dos tecidos Aluminatos e HA através dos poros. (Fixação biológica) porosos Bioativas Ocorre uma forte ligação na interface ossoimplante. (Fixação bioativa) Vitro-cerâmicas Biovidros, HA e Reabsorvíveis Gesso, Fosfato As cerâmicas são degradadas e substituídas tricálcico, Vidros pelos tecidos. bioativos Todos os resultados de testes in vitro e in vivo mostram que a característica comum de materiais implantados bioativos que se conhece, é a camada biologicamente ativa de carbonato de hidroxiapatita que se forma na superfície do implante. Entretanto, a grande diferença na taxa de ligação do osso com implantes bioativos indica que diferentes fatores bioquímicos ocorrem na interface tecido - implante. Em 1994, uma nova hipótese foi proposta, cujos materiais são classificados em dois tipos: Classe A Materiais Osteoprodutivos. Osteoprodução tem sido definida por Wilson como, o processo por meio do qual uma superfície bioativa é colonizada por células livres que promovem osteogênese (crescimento do osso) em ambiente defeituoso, como resultado de uma intervenção médica. A bioatividade da Classe A ocorre quando um material obtém respostas intracelular e extracelular na sua superfície. Vidros bioativos de Classe A podem se ligar tanto com ossos como com tecidos flexíveis. Classe B Materiais Osteocondutivos A osteocondutividade de um implante simplesmente promove uma interface biocompatível ao longo das migrações do osso. Osteocondutividade biocompatível ocorre quando um material 11

25 obtém uma resposta extracelular na sua interface [11]. Características de materiais bioativos da classe A, osteoprodutivos, e da classe B, osteocondutivos, são comparadas no quadro 3, a seguir. Quadro 3. Diferenças entre as classes de materiais bioativos [20]. CLASSE A Osteoprodutivo e osteocondutivo Rápida ligação com o osso Melhor crescimento do osso Ligação com os tecidos conectivos flexíveis CLASSE B Somente osteocondutivo Lenta ligação com o osso Lento crescimento do osso Nenhuma ligação com os tecidos conectivos flexíveis Características do tecido ósseo Com os estudos desenvolvidos atualmente, das diversas biocerâmicas que entram em contato com os ossos, verifica-se a importância de conhecer as questões relacionadas aos vários tipos de ossos do corpo humano. Assim, uma breve explicação sobre ossos é bem aceita. Osso consiste de um conjunto de células engastadas em uma matriz intercelular composta por materiais orgânicos, principalmente colágeno, e por sais inorgânicos ricos em cálcio e fosfato. Essa mistura confere ao osso propriedades mecânicas difíceis de serem conseguidas em outros materiais produzidos pelo homem [38] Hidroxiapatita biológica A apatita biológica é constituída por uma mistura de fases cristalinas e amorfas correspondentes à fórmula (Ca,x) 10 (PO 4,y) 6 (OH,z) 2 onde principalmente se tem x = Mg 2+, Na + ; y = CO 2-3, HPO 2-4, SO 2-4 ; z = Cl -, F -. Considera-se Hidroxiapatita (HA) como (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ). Mesmo com estudos relacionados à maior aproximação com o funcionamento real do corpo humano, suas funções e características, verificam-se que há diferenças de propriedades significativas entre cristais de apatita encontrados no mineral do osso e HA sintética. Os cristais dos ossos são formados em um ambiente biológico através do processo de biomineralização e são de tamanhos nanométricos. O mineral do osso também contém traços de íons como Na +, Mg 2+ e 12

26 K +, que são conhecidos por ter um papel no desempenho total. Tem sido demonstrado que a reabsorção de cerâmicas HA é completamente diferente de mineral do osso. Cristais de mineral do osso são de escala nanométrica com grandes áreas superficiais; conseqüentemente, a reabsorção pelos osteoclastos (células que participam dos processos de absorção e remodelação do tecido ósseo) é completamente homogênea. A HA sintética, pelo contrário, apresenta uma baixa área superficial e tem forte ligação. A reabsorção ocorre em duas etapas: desintegração das partículas e dissolução dos cristais [14]. A figura 3, a seguir, resume a seqüência de onze reações que aparentemente ocorrem na superfície de vidros bioativos com uma ligação formada com o osso. Todavia, nem todas as cerâmicas bioativas possuem todos estes onze passos ou tem uma cinética de reação de superfície tão rápida quanto na figura 3. As limitações de alguns estágios, como 8 e 9, são relacionadas com a incerteza do processo biológico, pois é ele que controla a expressão genética de células de diferenciação, como por exemplo, os osteoblastos (células que sintetizam a parte orgânica da matriz óssea) [10]. Figura 3. Seqüência de reações interfaciais envolvidas na formação de uma ligação entre osso e vidro bioativo. 13

27 3.3.2 Características do sistema in Vitro Devido às dificuldades de testes com sistemas in vivo, sejam elas experimentais ou éticas, surgiram os testes in vitro para verificar a bioatividade de materiais propostos para estudo. A partir disso, Kokubo, em 1990 propôs uma solução aquosa contendo concentrações de íons semelhantes às presentes no plasma humano. A solução foi capaz de induzir mudanças estruturais na superfície de materiais bioativos semelhantes às presentes in vivo, ou seja, formação de uma camada de HA. Esta solução foi chamada de Simulated Body Fluid (SBF) [4] Hidroxiapatita in Vitro Kokubo propôs um mecanismo para explicar formação de HA em SBF. O mecanismo ocorre inicialmente com a liberação dos íons Ca 2+, Na 2+ ou K + da superfície dos vidros via troca com o íon H 3 O + da solução SBF formando grupos Si-OH ou Ti-OH na superfície. Em seguida, moléculas de água da solução SBF atacam as ligações Si-O-Si ou Ti-O-Ti para formar grupos adicionais Si-OH ou Ti-OH. Os grupos Si-OH e Ti-OH formados induzem a nucleação da apatita e os íons Ca 2+, Na 2+ ou K + liberados a aceleram, aumentando o produto de atividade iônica da apatita no fluido. Assim que o núcleo da apatita é formado, e pode crescer espontaneamente, consumindo os íons de Ca e fosfato do fluido circunvizinho, que é supersaturado em relação à apatita. Uma ilustração do mecanismo está representada a seguir, na figura 4 [39]. Figura 4. Esquema representativo do mecanismo de formação da apatita em superfícies de vidros e vitro - cerâmicas de base CaO, SiO 2 em SBF. 14

28 3.4 DIFRAÇÃO DE RAIOS-X Dentre as várias técnicas de caracterização de materiais, a técnica de difração de raios-x é a mais indicada na determinação das fases cristalinas presentes em materiais. Isto é possível porque na maior parte dos sólidos (cristais), os átomos se ordenam em planos cristalinos separados entre si por distâncias da mesma ordem de grandeza dos comprimentos de onda dos raios-x. Com esta técnica também são possíveis as análises da textura (orientação cristalográfica preferencial), determinação do tamanho de cristalito, da densidade teórica e determinação de tensões residuais. Ao incidir um feixe de raios-x em um cristal, o mesmo interage com os átomos presentes, originando o fenômeno de difração. A difração de raios-x ocorre segundo a Lei de Bragg (Equação A), a qual estabelece a relação entre o ângulo de difração e a distância entre os planos que a originaram (característicos para cada fase cristalina). nλ = 2d sen θ (Equação A) n: número inteiro λ: comprimento de onda dos raios-x incidentes d: distância interplanar θ: ângulo de difração Dentre as vantagens da técnica de difração de raios-x para a caracterização de fases, destacam-se a simplicidade e rapidez do método, a confiabilidade dos resultados obtidos (pois o perfil de difração obtido é característico para cada fase cristalina), a possibilidade de análise de materiais compostos por uma mistura de fases e uma análise quantitativa destas fases [15]. 3.5 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) é um instrumento muito versátil e usado rotineiramente para a análise microestrutural, morfologia dos cristais (tamanho e forma) de materiais sólidos. Apesar da complexidade dos mecanismos para a obtenção da imagem, o resultado é uma imagem de muito fácil interpretação. O MEV promove imagens de superfície de alta resolução, na ordem de 2 nm a 5 nm (20 Aº - 50 Aº) - atualmente existem instrumentos com até 1 nm (10 Aº), com elevada profundidade de foco (imagem com aparência tridimensional) e com a possibilidade de combinar a análise microestrutural com a microanálise química. 15

29 3.6 ESPECTROFOTOMETRIA DE EMISSÃO POR PLASMA ICP (Inductively Coupled Plasma) A espectrofotometria de emissão por plasma permite determinar as concentrações dos elementos cálcio, fósforo, silício e magnésio nas soluções de SBF após os definidos tempos de imersão. É baseada na absorção específica que cada átomo metálico apresenta em suas transições do estado fundamental a estados de maior energia. Lâmpadas que respondem especificamente a cada elemento, permitem as quantificações dos componentes. 16

30 4. METODOLOGIA 4.1 MATERIAIS E MÉTODOS Precursores do sol gel Os precursores utilizados no processo sol gel [3], variaram para cada tipo de sistema preparado. Sendo eles: tetraetilortosilicato (TEOS), etanol (ETOH), acetoacetato de etilo, nitrato de cálcio, água, ácido nítrico (HNO 3 ), isopropóxido de titânio (TiPr), propóxido de zircônio (PrZr), trimetil borato e dibutil fosfato. A seguir no quadro 4, verificam-se as quantidades dos componentes em cada sistema. Quadro 4. Quantidades de precursores utilizados para cada sistema. SISTEMAS TEOS (ml) ETOH (ml) Acetoacetato de etilo (ml) PRECURSORES Nitrato de Cálcio (g) Água (ml) HNO 3 (ml) TiPr (ml) PrZr (ml) Trimetil Borato CaO-SiO 2 TiO 2 18,2 18,2 2,1 19,2 41,0 6,9 2, CaO SiO 2 ZrO 2 (1) 17,7 17,7 1,5 18,6 40,0 7,0-1,5 - - CaO SiO 2 ZrO 2 (2) 17,7 17,7 3,0 18,6 40,0 6, CaO SiO 2 B 2 O 3 18,4 18,4 1,6 19,4 41,0 6, ,6 - CaO SiO 2 P 2 O 5 (1) 17,4 17,4-18,4 39,0 6, ,8 CaO SiO 2 P 2 O 5 (2) 16,2 16,2-16,4 35,0 6, ,8 CaO SiO 2 P 2 O 5 (3) 15,2 15,2-16,0 34,0 5, ,8 (ml) Dibutil Fosfato (ml) As porcentagens molares resultantes de cada sistema foram baseadas em trabalhos anteriores [3, 7, 22, 23, 25], mas, selecionadas arbitrariamente. Diante desta afirmação, verifica-se que as quantidades dos sistemas estão indicadas no quadro 5, a seguir: 17

31 Quadro 5. Quantidades de compostos utilizados em cada sistema (sendo X, o composto que diferencia cada sistema). COMPOSTOS PROPORÇÕES DOS SISTEMAS (%Molar) CaO SiO 2 X TiO 2 47,9 47,9 4,2 ZrO 2 (1) 47,9 47,9 4,2 ZrO 2 (2) 47,9 47,9 4,2 B 2 O 3 47,9 47,9 4,2 P 2 O 5 (1) 47,9 47,9 4,2 P 2 O 5 (2) P 2 O 5 (3) Precursores do SBF As concentrações de íons do (SBF) desenvolvido em laboratório, comparativamente ao plasma humano estão representadas no quadro 6, a seguir. Quadro 6. Concentração de íons do SBF em comparação com o plasma humano [4]. CONCENTRAÇÃO (mm) Na + K + Ca 2+ Mg 2+ - HCO 3 Cl - 2- HPO 4 SBF 142,0 5,0 2,5 1,5 4,2 148,5 1,0 0,5 Plasma Humano 142,0 5,0 2,5 1,5 27,0 103,0 1,0 0,5 SO Procedimento Experimental Processo sol - gel Os princípios de preparação do sol - gel foram semelhantes para todos os sistemas, com exceção da série de sistemas de P 2 O 5 que não usaram acetoacetato de etilo. A seqüência de preparação iniciou-se com a mistura do nitrato de cálcio com a água e o 18

32 HNO 3 (grupo 3) em um recipiente aberto. Em seguida, em outro recipiente, foram misturados TEOS e ETOH (grupo 2), e por último, em outro recipiente do mesmo gênero, foram acrescentados acetoacetato de etilo e os precursores que diferenciam cada sistema (quadro 4) (grupo 1). Todos os componentes das soluções foram misturados por agitação magnética à temperatura ambiente. No caso da família de compostos de P 2 O 5 não há acetoacetato de etilo, sendo assim, o precursor dibutil fosfato não precisa de agitação individual. Após a agitação de cada grupo, foram feitas as misturas entre grupos na seqüência: grupo 1, grupo 2 e finalmente grupo 3. Posteriormente, a solução final (mistura grupos ) foi colocada num recipiente em uma estufa a 60 ºC e coberta por um filme de polietileno para não haver muitas perdas com evaporação durante o processo de gelificação. As amostras permaneceram na estufa durante 15 dias para permitir a secagem e evitar a ocorrência de fragmentação. Depois de gelificadas, as amostras foram submetidas a uma secagem a 120 ºC durante 48 h e mantidas em dessecadores para evitar possível hidratação até o tratamento térmico posterior. No decorrer do processo de preparação as amostras foram submetidas a tratamento térmicos e posteriormente analisadas por raios-x para verificar a evidência de sistemas amorfos. Os tratamentos foram efetuados às temperaturas de 500 ºC, 450 ºC e 400 ºC, dependendo do sistema analisado. Os ciclos de aquecimento utilizados ocorreram à taxa de 10 ºC/min até a temperatura de 250 ºC durante 4 h e 10 ºC/min até a temperatura desejada 500 ºC, 450 ºC ou 400 ºC, com patamar de 1 h. À medida que se efetuavam as análises de raios-x, depois de cada tratamento térmico, as amostras que não obtiveram resultados amorfos passavam por uma secagem a 120 ºC durante 48 h e posterior tratamento térmico com mesmo ciclo de cozimento, porém com temperaturas inferiores ao ciclo anterior. A seguir, no quadro 7, tem-se um resumo com as temperaturas de cozimentos dos sistemas até ficarem amorfos. 19

33 Quadro 7. Esquema das temperaturas dos tratamentos térmicos para cada sistema até obter o estado amorfo. SISTEMAS TEMPERATURAS DOS TRATAMENTOS (ºC) TEMPERATURAS DO ESTADO AMORFO (ºC) CaO-SiO 2 TiO CaO SiO 2 ZrO 2 (1) CaO SiO 2 ZrO 2 (2) CaO SiO 2 B 2 O CaO SiO 2 P 2 O 5 (1) CaO SiO 2 P 2 O 5 (2) CaO SiO 2 P 2 O 5 (3) Imersão em SBF Após os tratamentos térmicos, as amostras foram novamente submetidas à secagem de 120 ºC durante 48 h para retirar qualquer vestígio de umidade antes da etapa posterior de preparação para o SBF. Depois de secas, as amostras foram moídas a seco em um almofariz automático (Retsch modelo RM100), em seguida foram peneiradas em uma tela de 33 µm e guardadas em dessecadores para não reterem umidade. A etapa posterior é a separação dos sistemas em cinco frascos de polipropileno, cada um representando um tempo de imersão em SBF. Cada frasco continha 2,50 g do material de cada sistema e 10 ml de SBF. Os ensaios em SBF foram divididos em cinco tempos diferentes, assim, para cada um dos sete sistemas havia cinco tempos, em um total de trinta e cinco amostras. Os tempos selecionados foram: 2 h, 7 h, 1 dia, 7 dias e 14 dias. 20

34 Depois de preparadas as amostras com SBF, estas eram colocadas em estufa a 37 ºC simulando a temperatura do corpo humano. Após o período determinado em SBF, as amostras passavam por um processo de separação entre o líquido (SBF) e o pó sedimentado no frasco. Esta separação acontecia com a ajuda de uma seringa que auxiliava na retirada do máximo de líquido do frasco. O pó juntamente com o restante do líquido não retirado pela seringa, era filtrado. O filtro (22 µm) com pó úmido era colocado em dessecadores. O líquido das seringas, devidamente filtrado (22 µm) era novamente colocado no mesmo frasco de polipropileno, onde efetuava-se a medida de seu ph (Orion, modelo 420A) e finalmente, ele era colocado em refrigerador para conservação até a análise de ICP (Jobin Yvon, 70 Plus). Após secos, os pós foram preparados para a análise do microscópio eletrônico de varredura (Hitachi, SU-70). Nos porta - amostras para MEV, os pós foram colados com uma fita dupla face e depois submetidos à deposição de carbono (Emitech, K950). Em virtude da quantidade de amostras, do tempo e custos envolvidos, nem todos os pós tiveram o mesmo tratamento, as amostras de tempos de imersão em SBF de 2 h e 1 dia não foram analisadas no MEV, sendo isto possível somente para aquelas antes da imersão em SBF, com 7 h, 7 dias e 14 dias de imersão. 21

35 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES 5.1 ANÁLISE DE DIFRAÇÃO DE RAIOS-X NOS DIFERENTES SISTEMAS VÍTREOS As análises de raios-x, como mencionados no processo experimental, foram efetuadas para cada sistema individualmente depois de cada tratamento térmico, com o objetivo de obter amostras amorfas. Esta situação foi escolhida porque se almejavam amostras sem uma região preferencial (cristais) para evolução do crescimento da HA. As evoluções dos raios-x de cada um dos sistemas estão representadas nas figuras do ANEXO A. Visto que algumas amostras não se apresentaram amorfas com o primeiro tratamento térmico, foram feitos sucessivos tratamentos com temperaturas inferiores para alcançar esse resultado. Uma representação dessas temperaturas pode ser observada no quadro 7 que analisado, traz a evidência de que somente os sistemas CaO-SiO 2 TiO 2, CaO SiO 2 ZrO 2 (1), CaO SiO 2 B 2 O 3 e CaO SiO 2 P 2 O 5 (1) têm seu tratamento inicial nas temperaturas de 500 ºC e 450 ºC. Isso porque estes sistemas foram os primeiros a serem efetuados, os sistemas posteriores os tiveram como base de partida para a escolha de temperaturas menores nos tratamentos térmicos. 5.2 ANÁLISE DOS COMPOSTOS APÓS TESTE DE BIOATIVIDADE Vários testes foram efetuados para evidenciar a presença de bioatividade dos vidros estudados. São eles: medida de ph das soluções de SBF nos diferentes tempos de imersão, análise com MEV, EDS, ICP e Raios-X. Os resultados obtidos com o conjunto das técnicas utilizadas proporcionaram, alguns mais facilmente que outros, uma tendência de bioatividade nos vidros estudados. Tomando como ponto de partida a análise dos ph s das soluções, verifica-se que houve um aumento dos valores, o que é aceitável para bioatividade, pois os vidros não têm caráter ácido, fato que resultaria em corrosão do tecido ósseo se usado para implantes em seres vivos. A média dos valores de ph para todos os tempos de imersão (2 h, 7 h, 1 dia, 7 dias e 14 dias), foi de 8,15. E suas variações estão mais bem representadas pela figura 5 a seguir. 22

36 Valores de PH PH 10 9,5 9 8,5 8 7, ,5 1 1,5 2 2,5 3 log t (hrs) TiO2 ZrO2 (1) ZrO2 (2) B2O3 P2O5 (1) P2O5 (2) P2O5 (3) Figura 5. Gráfico representativo dos valores de ph para as amostras em todos os tempos de imersão em SBF. Referente à microscopia eletrônica de varredura e EDS, foram analisadas somente as amostras (pós) sem imersão em SBF, com 7 h, 7 dias e 14 dias de imersão. As alterações nas superfícies de algumas das amostras, e a detecção dos elementos (Ca, P), ajudam na interpretação dos dados para formação da camada de Ca-P. Esta afirmação pode ser conferida no caso do vidro CaO SiO 2 TiO 2, por exemplo. A variação na superfície do vidro está evidente à medida que o tempo de imersão vai aumentando e desenvolve uma superfície mais áspera depois dos 14 dias de imersão. No caso do CaO SiO 2 P 2 O 5 (2), na superfície, são detectados agregados que aumentam de tamanho à medida que o tempo evolui. As representações das superfícies dos vidros estão na figura 6, a seguir. 23

37 1a) 2a) 1b) 2b) 1c) 2c) 1d) 2d) Figura 6. Imagens de MEV para as amostras 1) CaO-SiO 2 -TiO 2, 2) CaO-SiO 2 -P 2 O 5 (2), para os tempos a) sem imersão em SBF, b) 7 h, c) 7 dias e d) 14 dias de imersão em SBF. O sistema de formação da HA em vidros no sistema in vitro descrita por Kokubo sugere que, quando o vidro entra em contato com o SBF, há uma liberação de íons Ca +, Na + da superfície 24

38 do material via troca de H 3 O + da solução de SBF formando grupos Si-OH na superfície. Os grupos de Si-OH induzem a nucleação da HA, que pode ser formada pela alta concentração de Ca e P presente no meio. Os núcleos de HA crescem no vidro através do consumo de íons de Ca e P do fluido que é supersaturado em relação à apatita [39]. Sabendo isso e a partir dos resultados de EDS, conseguiu-se registrar o aparecimento de P, depois dos 14 dias de imersão, na superfície do vidro de CaO SiO 2 TiO 2. Para as demais amostras, com exceção dos sistemas CaO SiO 2 P 2 O 5 que já tem o P na sua composição, este elemento não aparece nas análises. Referente ao elemento Ca, em todas as amostras, comparativamente à análise do vidro sem imersão, ocorre um decréscimo com o passar do tempo, sugerindo que parte deste elemento tenha passado para a solução. (ANEXO B) Com a técnica de ICP nos vidros: sem imersão em SBF, 2 h, 7 h, 1 dia, 7 dias e 14 dias de imersão, observou-se que os íons de Ca, Si aumentam sua concentração na solução de SBF em relação à inicial. Já a concentração de P diminui na solução e supostamente estaria sendo depositada no vidro. (Figuras 7 a, b, c) Estas trocas iônicas entre a solução e os vidros finalizam quando a fonte de íons P no SBF termine ou, se a difusão dos íons através da interface pare, devido à espessura da camada de Ca-P ter atingido um valor crítico [17]. Ainda com base nas análises de ICP e alguns cálculos para identificar a proporção do elemento Ca nas soluções de SBF, pode-se dizer que as concentrações deste elemento têm valores que, aumentam em determinados períodos e posteriormente tendem a diminuir. O que provavelmente indica que o Ca, em testes de imersão mais longos retornaria ao vidro. Na tabela 1 a seguir, verificam-se os valores das concentrações de Ca nos vidros antes de imersão e nas soluções de SBF. 25

39 Tabela 1. Variações das concentrações de Ca nos vidros antes de imersão e nas soluções de SBF. Tempo (h) Valores da concentração de Ca (mg/l) existentes nos vidros TiO 2 B 2 O 3 ZrO 2 (1) Vidros (CaO-SiO 2 -X) ZrO 2 (2) P 2 O 5 (1) P 2 O 5 (2) P 2 O 5 (3) Valores da concentração de Ca (mg/l) na solução de SBF após a imersão dos vidros Tempo (h) TiO 2 B 2 O 3 ZrO 2 (1) Vidros (CaO-SiO 2 -X) ZrO 2 (2) P 2 O 5 (1) P 2 O 5 (2) P 2 O 5 (3) Além do Ca e P, pôde-se verificar também, através do ICP, que os íons de B apresentam um considerável decréscimo comparativamente à fase inicial, já os íons de Ti e Zr, tem variações pouco significativas. Um gráfico representativo destes elementos nos diferentes tempos de imersão está representado na figura 7 (d). 26

40 Concentracão Ca (mg/l) ,5 1 1,5 2 2,5 3 log t (h) TiO2 B2O3 ZrO2 (1) ZrO2 (2) P2O5 (1) P2O5 (2) P2O5 (3) (a) Concentração Si (mg/l) ,5 1 1,5 2 2,5 3 log t (h) TiO2 B2O3 ZrO2 (1) ZrO2 (2) P2O5 (1) P2O5 (2) P2O5 (3) (b) Concentração P (mg/l) 2,0 1,0 0,0 0-1,0 0,5 1 1,5 2 2,5 3-2,0-3,0-4,0 log t (h) TiO2 B2O3 ZrO2 (1) ZrO2 (2) P2O5 (1) P2O5 (2) P2O5 (3) (c) Concentração B, Ti, Zr (mg/l) ,5 1 1,5 2 2,5 3 log t (h) B2O3 TiO2 ZrO2 (1) ZrO2 (2) (d) Figura 7. Gráficos das concentrações de (a) Ca, (b) Si, (c) P e (d) B, Ti e Zr para as amostras em todos os tempos de imersão (0 h, 2 h, 7 h, 1 dia, 7 dias e 14 dias). Para uma maior evidência dos resultados de bioatividade foram feitas análises de raios-x com as amostras após os 14 dias de ensaio in vitro. As avaliações conferem satisfatórios resultados quanto à formação da camada Ca-P, pois aparecem indícios de picos de HA nos vidros de P 2 O 5,. Nos vidros, com B 2 O 3 e ZrO 2, não há o aparecimento de picos de HA, mas sim de calcita. Na análise do vidro com TiO 2, não foi possível a identificação de nenhuma fase com a análise de raios-x. Este fato pode estar relacionado à uma formação de camada de Ca-P irregular na superfície do vidro, não sendo detectada pelo aparelho de raios-x, visto que anteriormente, nos resultados de EDS, percebe-se um vestígio de P no vidro. As representações dos espectros das amostras estão no ANEXO C. 27

41 6. CONCLUSÕES O trabalho realizado trouxe resultados indicativos de bioatividade nos vidros, porém, não é possível afirmar indubitavelmente que apresentam características propícias para utilização em experiências biomédicas. Partindo da análise dos ph s das soluções após os ensaios in vitro, verificou-se que seus valores, para todas as amostras, tiveram um aumento considerável relativamente à solução de SBF antes dos testes, adquirindo um caráter básico relevante para utilização em organismos vivos. Nas análises de MEV, constataram-se variações no aspecto da superfície após imersão no fluido simulado. Este fato foi bastante perceptível para as amostras de CaO-SiO 2 -TiO 2 e CaO- SiO 2 -P 2 O 5 (2). Uma análise complementar com EDS caracterizou quantidades de P nos vidros CaO-SiO 2 -TiO 2 e CaO-SiO 2 -P 2 O 5. Os demais vidros, não apresentaram P por esta análise. Já, para o elemento Ca, verificou-se que, para todas amostras, há uma diminuição relativamente à quantidade inicial existente nos vidros. Com as análises de ICP, verificou-se que a concentração dos íons de Ca e de Si, aumentaram depois dos 14 dias dos testes in vitro, isso significa que estariam saindo do vidro para a solução e possivelmente depois formar uma camada de Ca-P na superfície. Para os íons de P, ocorre justamente o contrário, a sua concentração na solução diminui, o que sugere seu depósito no vidro. Para os íons de B, sua concentração diminui, e as concentrações dos íons de Ti e Zr não variaram significativamente. Finalmente, com as análises por raios-x após a imersão de 14 dias em SBF, verificaram-se resultados significativos nos vidros de CaO-SiO 2 -P 2 O 5 em que foram observadas evidências da formação da camada de Hidroxiapatita. Nos vidros de CaO-SiO 2 -B 2 O 3 e CaO-SiO 2 -ZrO 2,, não foram detectadas qualquer camada de Ca-P, supostamente com maior tempo de imersão em SBF esta camada poderia ser detectada. O sistema CaO-SiO 2 -TiO 2, também não apresentou hidroxiapatita na análise de raios-x, porém uma certa quantidade de P foi identificada pelo EDS e variações na superfície foram observadas pelo MEV, sugerindo que com mais tempo de imersão em SBF seria detectada uma camada de hidroxiapatita. 28

42 7. SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS Seria interessante, para trabalhos futuros: Aumentar o tempo de imersão em SBF para os sistemas. Analisar propriedades mecânicas, através de ensaios de tração, flexão e compressão, dos sistemas que melhor responderam aos testes in vitro podendo fazer uma comparação com o tecido ósseo. Repetir testes in vitro com os sistemas que tiveram eminência de formação de camada de Ca-P, com maior quantidade de pós para análise. Caso do CaO-SiO 2 -TiO 2. Realizar estudos de bioatividade in vitro em meio celular, verificando seu comportamento com os vidros. Realizar testes in vivo para melhor simulação das condições fisiológicas. 29

43 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] KAWACHI Elisabete Y., BERTRAN Celso A., REIS Ralpho R., ALVES Oswaldo L. Biocerâmicas: tendências e perspectivas de uma área interdisciplinar, Química Nova, Vol. 23 (2000), Nº. 4. [2] BALAMURUNGAN A., SOCKALINGUM G., MICHEL J., FAURÉ J., BANCHET V., WORTHAM L., BOUTHORS S., LAURENT-MAQUIN D., BALOSSIER G. Synthesis and characterisation of sol gel derived bioactive glass for biomedical applications. Materials Letters, (2006), v. 60, pp [3] SALVADO Isabel Margarida Miranda. Preparação pelo Processo Sol-Gel e Caraterização de Materiais dos Sistemas SiO 2 -ZrO 2, SiO 2 -TiO 2 e SiO 2 -Al 2 O 3. Aplicação como Revestimentos Protetores. Tese de Doutorado. Doutorado em Ciência e Tecnologia dos Materiais. Universidade de Aveiro. Aveiro, [4] ANDRADE Ângela L., DOMINGUES Rosana Z. Cerâmicas Bioativas, Química Nova, Vol. 29 (2006), Nº. 1, pp [5] RATNER Buddy D., HOFFMAN Allan S., SCHOEN Frederick., LEMONS Jack E. Biomaterials Science. An Introduction to Materials in Medicine. Elsevier academic Press, v. 2, [6] QUEIROZ Carlos Manuel Gomes de Araújo. Cristalização de Biomateriais Vitrocerâmicos e Mineralização em Meio Fisiológico Simulado. Tese de Doutorado. Doutorado em Ciência e Tecnologia dos Materiais. Universidade de Aveiro. Aveiro, [7] RYU Hyun-Seung, LEE Jung-Kun, SEO Jun-Hyuk, KIM Hwan, HONG Kug S., KIM Deug J., LEE Jae H., LEE Dong-Ho, CHANG Bong-Soon, LEE Choon-Ki, CHUNG Sung-Soo. Novel bioactive and biodegradable glass ceramics with high mechanical strength in the CaO-SiO 2 -B 2 O 3 system, Wiley Periodicals, (2003). [8] VASILIU I., GARTNER M., ANASTASESCU M., TODAN L., PREDOANA L., ELISA M., NEGRILA C., UNGUREANU F., LOGOFATU C., MOLDOVAN A., BIRJEGA R., ZAHARESCU M. Structural and optical properties of the SiO 2 P 2 O 5 films obtained by sol gel method. Thin Solid Films, (2007). Nº. 5. [9] TSCZKA M., CHOLEWA K., OSYCZKA A. Tsczka. Gel-derived powders of CaO-P 2 O 5 - SiO 2 system as a starting material to production of bioactive ceramics, Journal of Alloys and Compounds, (1997), pp [10] HENCH. Larry L., WILSON June. An Indroduction to Bioceramics. USA: World Scientific, v. 1,

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45 [23] DE AZA P.N., DE AZA S. Bioactivities of a SiO 2 -CaO-ZrO 2 glass in simulated body fluid and human parotid saliva. Keys Engineering Materials, (2004), v , pp [24] FERNANDES Maria Helena F. V. Introdução à ciência e tecnologia do vidro. Lisboa: Universidade Aberta, v. 1, [25] OHTSUKI C., KOKUBO T., YAMAMURO T. Mechanism of apatite formation on CaO- SiO 2 -P 2 O 5 glasses in a simulated body fluid. Journal of Non-Cristalline Solids, (1992), v. 143, pp [26] RÁMILA A., REGÍ-VALLET M. Static and dynamic in vitro study of a sol - gel glass bioactivity. Biomaterials, (2001), v. 22, pp [27]PADILHA S., ROMÁN J., SÁNCHEZ-SALCEDO S., REGÍ-VALLET M. Hidroxiapatite/SiO 2 -CaO-P 2 O 5 glass materials: in vitro bioactivity and biocompatibility. Acta Biomaterialia, (2006), v. 2, pp [28] REGÍ-VALLET M., ARCOS Daniel. Silicon substituted hydroxyapatites. A method to upgrade calcium phosphate based implants. Journal of Materials Chemistry, (2005), v. 15, pp [29] HOFMANN I., MÜLLER L., GREIL P., MÜLLER F. A. Precipitation of carbonated calcium phosphate powders from a highly supersaturated simulated body fluid solution. Journal of the American Ceramic Society, (2007), v. 90, pp [30] CHO S. B., MIYAJI F., KOKUBO T., SOGA N., NAKAMURA T. Apatite formation on silica gel in simulated body fluid: effects of structural modification with solventexchange. Journal of materials science: materials in medicine, (1998), v. 9, pp [31] POLAK J.M. Historic and current strategies in bone tissue engineering: Do we have a hope in Hench? Journal of materials science: materials in medicine, (2006), v. 17, pp [32] REGÍ-VALLET M., SALINAS A., ARCOS Daniel. From the bioactive glasses to the star gels. Journal of materials science: materials in medicine, (2006), v. 17, pp [33] DAS P., AKKUSA O., MAJEED-ABDUL A., Optimization of the mineral content in polymeric gels: The effect of calcium to phosphate molar ratio. Journal of Crystal Growth, (2005), v. 280, pp [34] LIKITVANICHKUL S., LACOURSE W. C. Apatite wollastonite glass-ceramics: Part I Crystallization kinetics by differential thermal analysis. Journal of materials science, (1998), v. 33, pp

46 [35] AVNIR D., CORADIN T., LEV O., LIVAGE J. Recent bio-applications of sol gel materials. Journal of Materials Chemistry, (2006), v. 16, pp [36] RANJIT K. T., MARTYANOV I., DEMYDOV D., UMA S., RODRIGUES S., KLABUNDE K. J. A review of the chemical manipulation of nanomaterials using solvents: Gelation dependent structures. Journal sol gel science technology, (2006), v. 40, pp [37] PADILHA S., ROMLAN J., CARENAS A., REGÍ-VALLET M. The influence of the phosphorus content on the bioactivity of sol gel glass ceramics. Biomaterials, (2005), v. 26, pp [38] WILLIANS, P.L.; WARWICK R.; DYSON, M.; BANNISTER, L. H. Gray Anatomia, 37ª edição. Ed. Guanabara Koogan, [39] KOKUBO T., KIM H., KAWASHITA M. Novel bioactive materials with different mechanical properties. Biomaterials, (2003), v. 24, pp

47 ANEXO A Análises de Raios-X nos vidros antes dos testes in vitro Figura 8. Espectros de raios-x do sistema CaO SiO 2 TiO 2. Figura 9. Espectros de raios-x do sistema CaO SiO 2 ZrO 2 (1). Figura 10. Espectros de raios-x do sistema CaO SiO 2 ZrO 2 (2). Figura 11. Espectros de raios-x do sistema CaO SiO 2 B 2 O 3. 34

48 Figura 12. Espectros de raios-x do sistema CaO SiO 2 P 2 O 5 (1). Figura 13. Espectros de raios-x do sistema CaO SiO 2 P 2 O 5 (2) e (3). 35

49 ANEXO B Análises mais significativas de EDS nos vidros CaO-SiO2-TiO2 a) Concentração (g/mol) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Tempo (h) Ca P CaO-SiO2-ZrO2 (1) b) Concentração (g/mol) 1 0,8 0,6 0,4 0, Tempo (h) Ca P CaO-SiO2-P2O5 (3) c) Concentração (g/mol) 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Tempo (h) Ca P Figura 14. Espetros de algumas das amostras, a) CaO-SiO 2 -TiO 2, b) CaO-SiO 2 -ZrO 2 (1), c) CaO- SiO 2 -P 2 O 5 (3), com seus respectivos gráficos com representação da evolução das concentrações de Ca e P com os tempos de 0 h, 7 h, 7 dias e 14 dias de imersão. 36