NANOPARTÍCULAS DE FOSFATO DE CÁLCIO PARA APLICAÇÕES BIOMÉDICAS RESUMO

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1 NANOPARTÍCULAS DE FOSFATO DE CÁLCIO PARA APLICAÇÕES BIOMÉDICAS J. S. V. Albuquerque*, J. V. F Neto*, J. I. L. A. Júnior*, D. O. Lima*, R. E. F. Q. Nogueira* and M. H. Prado da Silva* *Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Deptº Eng. Mecânica e de Produção, Bl.714, Campus PICI, , Fortaleza, CE, mhprado@dem.ufc.br RESUMO Nesse estudo, apatitas nanométricas foram produzidas por precipitação em meio aquoso e caracterizadas em microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia eletrônica de transmissão (MET) e difração de raios-x (DRX). A análise em difração de raios-x dos pós revelou um padrão correspondente a hidroxiapatita de baixa cristalinidade, Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2. Após sinterização a 1100ºC, foram identificadas hidroxiapatita e fosfato tricálcio, Ca 3 (PO 4 ) 2. Os pós produzidos serão utilizados para a produção de biocerâmicas porosas para preenchimento de defeitos ósseos. INTRODUÇÃO O osso humano é um material compósito natural composto por fases orgânicas e minerais. O constituinte mais abundante da fase mineral do osso consiste de nanoparticulas de fosfato de cálcio. Essas nanopartículas reforçam a matriz de colágeno, conferindo a resistência mecânica característica do osso humano. O composto sintético mais próximo à fase mineral do osso humano é a hidroxiapatita, Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2. No caso das apatitas biológicas, ocorrem substituições por íons Na +, K +, Mg 2+, F -, CO 2-3 dentre outros [1]. O desenvolvimento dos biomateriais cerâmicos à base de fosfatos de cálcio é uma das bases para a regeneração óssea, um campo promissor da bioengenharia. As cerâmicas bioativas são aquelas que promovem a precipitação de uma camada de apatita semelhante à apatita biológica ( bone apatite ), quando em contato com os líquidos corpóreos. Esses materiais formam uma ligação química com o osso e podem ser usadas como revestimentos em metais ou para preenchimento de defeitos ósseos causados por tumores ou traumas. Dentre as cerâmicas bioativas, destacam-se a hidroxiapatita (HA) e o fosfato tricálcio, Ca 3 (PO 4 ) 2 [2]. O trifosfato de cálcio pode apresentar duas variações alotrópicas: quando apresenta simetria romboédrica, é definido como trifosfato de cálcio do tipo β (β-tcp) e quando apresenta simetria ortorrômbica, é definido como trifosfato de cálcio do tipo α (α-tcp). A fase α-tcp é a mais solúvel dentre os três fosfatos de cálcio citados, sendo rapidamente reabsorvida pelo organismo quando implantada. A hidroxiapatita é a fase menos solúvel. O controle da quantidade relativa de fases durante o processo de produção de biocerâmicas sintéticas permite a produção de materiais mais ou menos reabsorvíveis [3]. Os biomateriais mais utilizadas para preenchimento de defeitos ósseos são as biocerâmicas, os biovidr os e os compósitos biovidro-biocerâmica. Esses materiais costumam ser implantados sob a forma de grânulos ou blocos porosos. Esses compósitos são denominados hidroxiapatitas reforçadas com vidro (GRHA). Em trabalho recente, Prado da Silva e col. [4] produziram biocerâmicas porosas a partir de GRHA, cujas fases presentes após sinterização são HA, α-tcp e β-tcp. O presente trabalho apresenta uma via alternativa de produção de pós de fosfatos de cálcio precipitados em diferentes valores de ph. O controle das condições de precipitação permite o controle das fases constituintes após sinterização. MATERIAIS E MÉTODOS Como fontes de Ca e P foram utilizadas as soluções 0,3M H 3 PO 4, 0,5M Ca(OH) 2 e 1M CH 3CHCO 2HOH. O valor do ph da solução foi ajustado para obtenção de pós em ph = 8, ph= 9 e ph=12 pela adição de NH 4 OH. Os precipitados foram filtrados em papel de filtro em 2008

2 sistema de váco adicionando-se abundantemente água bidestilada para a retirada do NH 4OH. Os pós foram secos em estufa a 80ºC por 24 horas e, em seguida, desagregados em um almofariz de ágata. Amostras em verde sob a forma de discos com 16mm de diâmetro foram produzidas por prensagem uniaxial. Os discos foram sinterizados a 1100 o C durante 1 hora, a 10ºC/min. Os pós foram analisados antes e após a sinterização. Amostras não sinterizadas foram caracterizadas por difração de raios-x (XRD), microscopia eletrônica de transmissão (MET) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). As amostras sinterizadas foram caracterizadas em XRD. Para análise em MET, os pós foram dispersos em álcool e uma gota foi posicionada sobre grades de cobre com filme de carbono. O equipamento utilizado foi um microscópio eletrônico de transmissão JEOL 2000 FX. As análises em difração de raios-x foram realizadas em um difratômetro Philips X Pert X-ray Diffraction System operando com tubo de cobre θ-2θ com CuKα (λ=0,1542nm) em 40kV e 40mA. A análise em microscopia eletrônica de varredura foi realizada em um microscópio eletrônico de varredura Philps modelo XL-30. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os pós foram analisados em XRD antes da sinterização. Observou-se um padrão correspondente a hidroxiapatita pouco cristalina, como pode ser observado na Figura 1. O difratograma apresentado na Figura 1(a) foi obtido para pó precipitado em ph=8. Pós precipitados em ph=9 e ph=10 apresentaram difratogramas idênticos. Intensidades Relativas (b) (a) Teta Figura 1 Difratograma de raios-x em pó preciptado em ph=8 antes da sinterização (a) e após sinterização a 1100ºC durante 1 hora (b). O pó precipitado em ph = 8 foi analisado em microscopia eletrônica de transmissão. Foram identificadas partículas nanométricas aciculares e poucas partículas isoladas com morfologia ovóide, como indicado na Figura 2, sendo o pó predominantemente constituído de nanopartículas aciculares. Os resultados de MET concordam com a análise em XRD, que apresenta um espectro com um alto ruído de fundo, o que indica pouca cristalinidade e/ou presença de nanopartículas. A análise em MEV dos pós não se mostrou eficaz, uma vez que as partículas são de dimensões nanométricas e estavam agregadas. 2009

3 Figura 2 Análise em microscopia eletrônica de transmissão (MET) em pó precipitado em ph=8. Após sinterização a 1100ºC durante 1 hora, a amostra precipitada em ph = 8 se decompôs em β-tcp, como ilustrado na Figura 1(b). As amostras precipitadas em ph=12 e sinterizadas a 1100ºC apresentaram difratograma de raios-x indicando a presença de somente hidroxiapatita (Figura 3). Pós precipitados em ph=9 indicaram a presença de hidroxiapatita e β -TCP após sinterização a 1100ºC durante 1 hora. A decomposição dos pós precipitados em valores mais baixos de ph indica que as apatitas assim produzidas não são hidroxiapatitas estequiométricas. De fato, a literatura indica que hidroxiapatitas calcio -deficientes e com substituições por grupos carbonato apresentam menor estabilidade [5-7]. 1 Intensidades Relativas Teta Figura 3 Difratograma de raios -X em pó preciptado em ph=12 antes da sinterização (a) e após sinterização a 1100ºC durante 1 hora (b). CONCLUSÕES A metodologia apresentada nessa pesquisa apresenta um protocolo de produção de apatitas nanométricas que são um material de base para a produção de biocerâmicas. As partículas produzidas em ph=12 apresentam estabilidade estrutural, não se decompondo em trifosfato de cálcio após sinterização a 1100ºC. Os pós produzidos em ph=8 se decompuseram totalmente em trifosfato de cálcio após sinterização. A mistura de fases presente em pós precipitados em ph=9 apresenta uma rota de produção de biocerâmicas bifásicas. Variações nas condições de 2010

4 sinterização permitirão a produção de diferentes quantidades e fração de fases, o que é de interesse no controle das propriedades de dissolução do produto final. Cerâmicas bioativas compostas de hidroxiapatita, α-tcp e β-tcp serão produzidas pela metodologia exposta para desenvolvimento de biocerâmicas para enxerto ósseo. AGRADECIMENTOS Ao aluno Marcus Aurelio Ribeiro Miranda pela inestimável ajuda na realização das análises de difração de raios-x. À Profª Drª Glória de Almeida Soares, pelas fotos em MET. Ao CNPq/CAPES, pelo financiamento a esse projeto. A todos os colegas do DEMP- UFC. REFERÊNCIAS 1 M.H. Prado da Silva, 1999, Recobrimento de Titânio com Hidroxiapatita: Desenvolvimento do Processo Eletrolítico e Caracterização Biológica In Vitro, Tese D.Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil, 166 pp. 2 L.L. Hench and J. WILSON, 1993, An Introduction to Bioceramics, 1 ed., Gaiinesville, USA, World Scientific., 386pp. 3 M. H. Prado da Silva, A. F. Lemos, J. M. F. Ferreira and J. D. Santos, Journal of Non- Crystalline Solids, 304 (2002), M. H. Prado da Silva, A. F. Lemos, J. M. F. Ferreira and J. D. Santos, 2002, Key Eng. Materials, vol. 230, pp R. Z. Legeros and J. P. Legeros, 1996B, Bioceramics 9, pp K.A. Hing, J.C. MERRY, I.R. Gibson, L. Di- Silvio and W. Bonfield, 1999, Bioceramics, vol. 12, pp M. Ozakaki, T. Matsumoto, T. Taki, M. Taira, J. Takahashi and R.Z. Legeros, 1999, Vol. 12, pp ; 2011

5 CALCIUM PHOSPHATE NANOPARTICLES FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS J. S. V. Albuquerque*, J. V. F Neto*, J. I. L. A. Júnior*, D. O. Lima*, R. E. F. Q. Nogueira* and M. H. Prado da Silva* *Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Deptº Eng. Mecânica e de Produção, Bl.714, Campus PICI, , Fortaleza, CE, mhprado@dem.ufc.br ABSTRACT In this study, apatite nanoparticles were produced by aqueous precipitation and characterised by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) and X-ray diffraction (XRD). The starting solution was 0.3M H 3 PO 4, 0.5M Ca(OH) 2, 1M CH 3 CHCO 2 HOH. The ph value of the solution was adjusted to ph=10 by NH 4 OH additon. The suspension was vaccum filtered and dried in an oven at 100ºC overnight. The powders were disaggregated in an alumina mortar, re-suspended in acetone and ultra-sonically dispersed for microscopic observation of individual particles. The powders were then sintered and analysed by XRD. TEM and SEM analyses showed needle-like particles with long axis smaller than 100nm. XRD analysis of the powders showed a pattern corresponding to low crystalline hydroxyapatite. After sintering at 1100ºC, the present phases were hydroxyapatite and tricalcium phosphate, Ca 3 (PO 4 ) 2. The produced powders will be used for the production of porous bioceramics. KEYWORDS: tricalcium phosphate, hydroxyapatite, biomaterial. 2012