FERNANDA BORBA SIMÕES · Ag+ (0,1 mol L-1) e aquecidos por micro-ondas (100°C/15 min) a 800 W de...

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE

PRÓ-REITORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E

ENGENHARIA DE MATERIAIS (P2CEM)

FERNANDA BORBA SIMÕES

EFEITO DA RADIAÇÃO MICRO-ONDAS NA INTERAÇÃO DA PRATA COM

NANOCRISTAIS DE HIDROXIAPATITA

SÃO CRISTÓVÃO - SE

MARÇO DE 2018

i

FERNANDA BORBA SIMÕES

EFEITO DA RADIAÇÃO MICRO-ONDAS NA INTERAÇÃO DA PRATA

COM NANOCRISTAIS DE HIDROXIAPATITA

ORIENTADOR: Prof. Dr. Euler Araujo dos Santos

SÃO CRISTÓVÃO - SE

MARÇO DE 2018

iii

FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA CENTRAL UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE

S726e

Simões, Fernanda Borba Efeito da radiação micro-ondas na interação da prata com nanocristais de hidroxiapatita / Fernanda Borba Simões ; orientador Euler Araujo dos Santos. - São Cristóvão, 2018. 82 f. : il. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Sergipe, 2018.

1. Hidroxiapatita. 2. Prata. 3. Micro-ondas. 4. Adsorção. 5. Troca iônica I. Santos, Euler Araujo dos orient. lI. Título.

CDU 537.6


COM NANOCRISTAIS E HIDROXIAPATITA

Fernanda Borba Simões

DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO PROGRAMA DE

PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS DA

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE COMO PARTE DOS REQUISITOS

NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIA E

ENGENHARIA DE MATERIAIS.

Aprovada por:

SÃO CRISTÓVÃO, SE - BRASIL.

Março/2018

iv

“Somewhere, something incredible

is waiting to be known.”

Carl Sagan

v

AGRADECIMENTOS

Agradeço ao meu pai Fernando e à minha irmã Poliana, que sempre

acreditaram em minha capacidade. Obrigada por estarem sempre comigo, me

fazendo acreditar que posso mais do que imagino e por estarem sempre ao meu lado

mesmo sendo privados de minha companhia em muitos momentos importantes.

Obrigada pelo esforço que fizeram por mim, para que eu conseguisse superar cada

obstáculo movida pelo amor de vocês.

Agradeço à minha tia Ângela, cuja ajuda foi essencial e sem a qual tudo seria

mais difícil. Agradeço, também, à minha mãe Tânia, minhas irmãs Karla Tainá e

Victória Maria, minha tia Delma e toda minha família por todo o amor e apoio que

sempre me deram.

Agradeço ao meu orientador Prof. Dr. Euler Araujo dos Santos pelos

ensinamentos, pela atenção e dedicação, pela paciência e, principalmente, pela

confiança depositada em mim na conclusão deste trabalho.

Agradeço aos professores do Programa de Pós-Graduação em Ciência e

Engenharia de Materiais (P2CEM) pelos ensinamentos adquiridos e experiências

vividas. Também agradeço à Prof ª. Dra. Maria de Lourdes da Silva Rosa (DGEOL) e

ao Prof. Dr. Rogério Machado (DFI) por me ajudarem na caracterização dos

materiais.

Agradeço às minhas amigas Bertília, Thamásia e Mariana por serem sempre

ótimas companhias em todos os momentos. Também agradeço aos amigos Genisson,

Leila, Silmara, Jorge e Iara por compartilharem suas alegrias e experiências comigo.

Agradeço aos meus amigos do DFI Raiane, Adriel, Osmar e Gilberto pela

ajuda que recebi de vocês durante esses dois anos de mestrado.

Agradeço a todas minhas amigas de Imperatriz e Marabá pelo

companheirismo, pela torcida e palavras de incentivo e motivação, mesmo distantes.

Agradeço a todos os alunos, funcionários e professores responsáveis dos

laboratórios do LMDCEM, QUIBIOM (DQI), CMNano, LCNT (NUPEG), CLGeo

(DGEOL) e LDRX (DFI) cujos auxílios enriqueceram bastante meu trabalho.

Agradeço ao CNPq pela bolsa concedida.

Agradeço a todos que fizeram parte direta ou indiretamente dessa jornada.

Ninguém vence sozinho, a todos vocês, muito obrigada!

vi

Resumo da Dissertação apresentada ao P²CEM/UFS como parte dos requisitos

necessários para a obtenção do grau de Mestre (M.Sc.) em Ciência e Engenharia de

Materiais.

Resumo


COM NANOCRISTAIS DE HIDROXIAPATITA


Março/2018

Orientador: Prof. Dr. Euler Araujo dos Santos

Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais

O objetivo desse trabalho foi avaliar o efeito do aquecimento por micro-ondas na inserção de íons Ag+ em cristais nano-estruturados de hidroxiapatita (HA) via troca-iônica em meio aquoso. Para isso, os nanocristais de HA pura, sintetizados por precipitação química em meio aquoso, foram imersos em solução aquosa contendo Ag+ (0,1 mol L-1) e aquecidos por micro-ondas (100°C/15 min) a 800 W de potência. Para fins comparativos, o mesmo procedimento foi realizado utilizando o aquecimento em banho de óleo (80°C/4 h). Para observação do efeito dos íons Ag+ em detrimento do aquecimento, os nanocristais de HA pura também foram aquecidos em água destilada, sob as duas fontes de calor. As amostras foram caracterizadas por espectroscopia de fluorescência de raios X por dispersão de comprimento de onda, difração de raios X com refinamento pelo método Rietveld, microscopia eletrônica de transmissão e espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier. Independentemente do tipo de aquecimento, a interação da HA com os íons Ag+ resultou na formação de Ag3PO4 e de Ag0. O aquecimento por micro-ondas foi capaz de acelerar as reações entre os íons Ag+ e a superfície da HA formando uma maior quantidade de Ag3PO4 em um menor tempo de aquecimento. Além disso, tanto o aquecimento por micro-ondas quanto a interação com os íons Ag+ afetaram visivelmente a ocupação de HPO4

2- e CO32- em nos sítios de PO4

3- e OH- na estrutura da HA. Como consequência dessas ocupações, os parâmetros de rede, volume da célula unitária, tamanho de cristalito, morfologia e esfericidade dos nanocristais de HA também foram afetados. Os resultados observados indicam que o aquecimento por micro-ondas foi capaz de alterar não somente os aspectos cristalográficos, mas também a taxa de dopagem dos íons Ag+ nos nanocristais de HA em meio aquoso. Palavras-chave: Hidroxiapatita; Prata; Micro-ondas; Adsorção; Troca iônica.

vii

Abstract of thesis presented to P²CEM/UFS as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Master (M.Sc.) in Materials Science and Engineering.

Abstract

MICROWAVES RADIATION EFFECT ON SILVER INTERACTION

WITH HYDROXYAPATITE NANOCRYSTALS


March/2018

Advisor: Prof. Dr. Euler Araujo dos Santos

Post-graduate program in Material Science and Engineering

The aim of this work was to evaluate the effect of microwave heating on the insertion of Ag+ ions in hydroxyapatite (HA) nanocrystals ion exchange. As-synthesized HA nanocrystals obtained by the precipitation method in aqueous medium were immersed in an Ag+-containing solution (0.1 mol L-1) and heated in a microwave oven at 100°C/15 min under a power of 800 W. The nanocrystals were also heated in an oil bath at 80°C/4 h. To isolate the effect of the heating sources from the Ag+ ions, the HA nanocrystals were also heated in aqueous solution without Ag+ ions. All the assays were characterized by wavelength dispersive X-ray fluorescence spectroscopy, X-ray diffraction with Rietveld refinement, transmission electron microscopy and Fourier transform infrared spectroscopy. Regardless of the heating source, Ag+ ions reacted with HA nanocrystals resulting in the formation of Ag3PO4 and Ag0 phases. Microwave heating was able to accelerate these reactions. In addition, both the microwave heating and Ag+ ions clearly affected the insertion of the HPO4

2- and CO32- ions into the PO4

3- and OH- sites of the HA structure. As a consequence of these occupations, the lattice parameters, unit cell volume, crystallite size, morphology and aspect ratio of the HA nanocrystals were affected. The observed results indicate that microwave heating was able to alter not only crystallographic aspects of the HA phase, but also the Ag+-doping rate of the HA nanocrystals in aqueous solution.

Keywords: Hydroxyapatite; Silver; Microwave; Adsorption; Ion exchange.

viii

SUMÁRIO

AGRADECIMENTOS ............................................................................................................... V

RESUMO ................................................................................................................................... VI

ABSTRACT ............................................................................................................................. VII

SUMÁRIO .............................................................................................................................. VIII

ÍNDICE DE FIGURAS .............................................................................................................. X

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO ................................................................................................. 1

CAPÍTULO 2. OBJETIVOS ...................................................................................................... 5

2.1 OBJETIVO GERAL ........................................................................................................... 6

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................. 6

CAPÍTULO 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................... 7

3.1 ESTRUTURA DA HIDROXIAPATITA ........................................................................... 8

3.2 EFEITOS DA RADIAÇÃO MICRO-ONDAS SOBRE OS MATERIAIS ........................ 9

CAPÍTULO 4. REVISÃO DE LITERATURA ...................................................................... 12

4.1 CAPTURA DE ÍONS METÁLICOS PELA HIDROXIAPATITA .................................. 13

4.2 SÍNTESES DE HIDROXIAPATITA VIA MICRO-ONDAS .......................................... 15

4.3 INCORPORAÇÃO DE PRATA IÔNICA NA HIDROXIAPATITA .............................. 17

4.4 AÇÃO ANTIBACTERIANA DA PRATA ...................................................................... 19

CAPÍTULO 5. MATERIAL E MÉTODOS ............................................................................ 22

5.1 SÍNTESE DA HIDROXIAPATITA PURA NANO-ESTRUTURADA .......................... 23

5.2 TROCA IÔNICA ............................................................................................................. 23

5.2.1 Aquecimento em forno micro-ondas ............................................................................. 23

5.2.2 Aquecimento em banho de óleo ..................................................................................... 24

5.3 ANÁLISE ELEMENTAR ................................................................................................ 24

5.4 CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL ........................................................................... 24

5.4.1 Análise estrutural por difração de raios X.................................................................... 24

5.4.2 Análise da evolução de grupamentos químicos na estrutura da hidroxiapatita ........... 25

5.5 ÁREA DE SUPERFÍCIE .................................................................................................. 26

5.6 CARACTERIZAÇÃO MORFOLÓGICA ....................................................................... 26

5.7 ANÁLISE ESTATÍSTICA DOS DADOS ....................................................................... 26

CAPÍTULO 6. RESULTADOS E DISCUSSÃO .................................................................... 28

ix

6.1 REAÇÕES ENTRE OS ÍONS DE PRATA E OS NANOCRISTAIS DE

HIDROXIAPATITA ...................................................................................................... 29

6.2 EFEITO ISOLADO DO AQUECIMENTO POR MICRO-ONDAS ................................ 38

6.2.1 Efeitos nas reações da superfície da hidroxiapatita ..................................................... 38

6.2.2 Efeitos nos grupamentos químicos presentes na hidroxiapatita ................................... 40

6.2.3 Efeitos na estrutura cristalina da hidroxiapatita .......................................................... 49

6.2.4 Efeitos na dopagem de íons de prata na hidroxiapatita ............................................... 53

CAPÍTULO 7. CONCLUSÃO ................................................................................................. 56

CAPÍTULO 8. PERSPECTIVAS PARA TRABALHOS FUTUROS .................................. 58

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................... 60

x

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Esquema da estrutura atômica de uma célula unitária hexagonal da HA

exibindo a posição dos sítios Ca (I) e Ca (II) em relação aos grupos PO43- e

OH-. .......................................................................................................................... 9

Figura 2. Mecanismos de aquecimento por micro-ondas (de Sousa Filho e Serra,

2015). ..................................................................................................................... 10

Figura 3. Perfis de aquecimento dos materiais em relação ao tipo de aquecimento

(de Sousa Filho e Serra, 2015). .............................................................................. 11

Figura 4. Representação do "modelo de camada superficial hidratada" para

nanocristais de apatita pouco cristalinos (Eichert et al., 2007). ............................. 13

Figura 5. Ilustração dos principais métodos de obtenção de HA nanocristalina

assistidos por micro-ondas. Adaptado de Hassan et al. (2016).............................. 16

Figura 6. Etapas de desenvolvimento dos biofilmes bacterianos (Dirckx, 2003). .......... 20

Figura 7. Representação esquemática dos mecanismos de ação antibacteriana da

prata envolvendo nanopartículas e íons Ag+. Esquema modificado de Reidy et

al. (2013). ............................................................................................................... 21

Figura 8. Fluxograma da metodologia adotada na associação da prata com a

hidroxiapatita via troca iônica em meio aquoso. .................................................... 27

Figura 9. Composição elementar das amostras sem aquecimento e aquecidas em

banho de óleo e em forno micro-ondas após imersão em água destilada (H2O)

e em solução aquosa contendo íons Ag+ (H2O+Ag+). *Diferença significativa

na quantidade de Ca e P em relação a HA sem aquecimento. **Diferença

significativa na quantidade de Ca e P em relação às amostras aquecidas em

água destilada. ........................................................................................................ 29

Figura 10. Difratograma refinado pelo método de Rietveld dos nanocristais de HA

sem aquecimento conforme descrito no subitem 5.1, Capítulo 5. Parâmetros

de refinamento: GoF: 2,11; Rwp: 11,19 (Sem aquecimento). ................................. 31

Figura 11. Difratogramas refinados pelo método de Rietveld das amostras

aquecidas em banho de óleo após imersão em água destilada (H2O) e após

imersão em solução aquosa contendo íons Ag+ (H2O+Ag+) conforme descrito

xi

no subitem 5.2.2, Capítulo 5. Parâmetros de refinamento: GoF: 2,66 e Rwp

9,62 (H2O); GoF: 1,51 e Rwp 8,53 (H2O+Ag+). ...................................................... 32

Figura 12. Difratograma refinado pelo método de Rietveld das amostras aquecidas

em forno micro-ondas após imersão em água destilada (H2O) e após imersão

em solução aquosa contendo íons Ag+ (H2O+Ag+) conforme descrito no

subitem 5.1.2a, Capítulo 5. Parâmetros de refinamento: GoF: 1,74 e Rwp 8,96

(H2O); GoF: 1,72 e Rwp 8,79 (H2O+Ag+). .............................................................. 33

Figura 13. Composição de fase obtida a partir do refinamento pelo método Rietveld

das amostras aquecidas em banho de óleo e em forno micro-ondas após

imersão em solução aquosa contendo íons Ag+. .................................................... 34

Figura 14. Imagens de MET com escalas de 100 nm e 50 nm dos nanocristais de

HA sem aquecimento (a, b) e aquecidos em banho de óleo após imersão em

água destilada (c, d) e em solução aquosa contendo íons Ag+ (e, f). ..................... 36

Figura 15. Esquema das reações que ocorrem na superfície dos nanocristais de HA

aquecidas após imersão em água destilada (H2O) e após imersão em solução

aquosa contendo Ag+ (H2O+Ag+) para a formação de Ag3PO4 e redução de

Ag+ para Ag0. As imagens de MET mostram o resultado do aquecimento em

banho de óleo, principalmente, na formação de aglomerados Ag3PO4 sobre os

nanocristais após o contato com íons Ag+.............................................................. 37

Figura 16. Taxa de formação de fase para Ag3PO4 e Ag0 em função do

procedimento de aquecimento empregado. ............................................................ 39

Figura 17. Espectros de FTIR dos nanocristais de HA sem aquecimento e aquecidos

em banho de óleo e em forno micro-ondas após imersão em água destilada

(H2O) e em solução aquosa contendo íons Ag+ (H2O+Ag+). As bandas de

absorção identificadas em todas as amostras foram: (a) v3H2O, vsOH- e

v1H2O; (b) CO2; (c) v2H2O; (d) v3CO32-; (e) v3PO4

3- e v1 PO43-; (f) v2CO3

2-; (g)

vLOH- e v4PO43-. ..................................................................................................... 40

Figura 18. Deconvoluções dos espectros FTIR das bandas de absorção nas regiões

de estiramentos v1PO43- e v3PO4

3- para as amostras sem aquecimento e

aquecidas em banho de óleo e em forno micro-ondas após imersão em água

destilada (H2O) e em solução aquosa contendo íons Ag+ (H2O+Ag+). Os

xii

coeficientes de determinação R2 em relação aos valores observados

encontram-se nas respectivas deconvoluções. ....................................................... 42


de dobramentos v4PO43- e vLOH- para as amostras sem aquecimento e

aquecidas em banho de óleo e em forno micro-ondas após imersão em água

destilada (H2O) e em solução aquosa contendo íons Ag+ (H2O+Ag+). Os

coeficientes de determinação R2 em relação aos valores observados

encontram-se nas respectivas deconvoluções. ....................................................... 43


de estiramentos v2CO32- nas amostras sem aquecimento e aquecidas em banho

de óleo e em forno micro-ondas após imersão em água destilada (H2O) e em

solução aquosa contendo íons Ag+ (H2O+Ag+). Os coeficientes de

determinação R2 em relação aos valores observados encontram-se nas

respectivas deconvoluções. .................................................................................... 44

Figura 21. Razões das áreas sob as curvas obtidas a partir das deconvoluções dos

espectros de FTIR calculadas para vLOH-/v4PO43-, HPO4

2- apatítico/v4PO43-,

v2CO32- tipo A/v2CO3

2- tipo B e v2CO32- tipo B/v4PO4

3- para as amostras sem

aquecimento e aquecidas em banho de óleo e em forno micro-ondas após

imersão em água destilada (H2O) e em solução aquosa contendo íons Ag+

(H2O+Ag+). * Diferença significativa em relação a HA sem aquecimento. .......... 45

Figura 22. Parâmetros de rede e volume da célula unitária, ambos obtidos pelo

refinamento Rietveld da fase HA para os cristais sem aquecimento e

aquecidos em banho de óleo e em forno micro-ondas após imersão em água

destilada (H2O) e em solução aquosa contendo íons Ag+ (H2O+Ag+). *

Diferença significativa em relação aos nanocristais de HA sem aquecimento. ..... 50

Figura 23. Taxa de variação no volume da célula unitária da fase HA das amostras

aquecidas em banho isotérmico e em forno micro-ondas após imersão em

água destilada (H2O) e em solução aquosa contendo íons Ag+ (H2O+Ag+). ......... 51

Figura 24. Tamanho do cristalito no plano (0 0 2) e razão de aspecto dos cristais

obtidos a partir dos dados do refinamento Rietveld da fase HA antes e depois

do aquecimento após imersão dos nanocristais de HA em água destilada

(H2O) e em solução aquosa contendo íons Ag+ (H2O+Ag+). ................................. 52

1

CAPÍTULO 1.

INTRODUÇÃO

2

A hidroxiapatita (HA) é um biomaterial muito utilizado em cirurgias de

reparação e reconstrução óssea por ser muito similar a fase mineral de ossos e dentes de

mamíferos. Trata-se de um fosfato de cálcio com fórmula estequiométrica

Ca10(PO4)6(OH)2 que possui propriedades biológicas extremamente relevantes para a

fabricação de biomateriais tais como bioatividade, biocompatibilidade, osteocondução,

osteointegração e osteoindução (Shi et al., 2015). Sua estrutura é altamente favorável à

adsorção de proteínas, aminoácidos e outras substâncias orgânicas, as quais são

responsáveis por permitir a adesão, proliferação e diferenciação de células

osteoprogenitoras (formadoras de tecido ósseo). De modo análogo, é também altamente

favorável à adesão de bactérias (Rameshbabu et al., 2007), podendo facilitar a

ocorrência de infecções bacterianas com prejuízos significativos ao paciente (Stanić et

al., 2015). Essas infecções são geralmente potencializadas pela formação de biofilmes

bacterianos resultantes de processos de adesão e proliferação das bactérias na superfície

do material (Marić e Vraneš, 2007).

Os biofilmes bacterianos são comunidades de bactérias envoltas em uma densa

matriz polimérica extracelular que dificulta significativamente a difusão de grande parte

dos antibióticos para o interior do biofilme (Satpathy et al., 2016). Essa matriz,

conhecida como substância polimérica extracelular (SPE), tem o papel de proteger os

microrganismos e garantir sua proliferação. Geralmente, esses biofilmes são de difícil

remoção quando se formam, sendo muitas vezes necessária a retirada completa do

enxerto ou implante contaminado (Hoiby et al., 2010), adicionando mais um trauma ao

paciente, além de elevar bastante os custos de tratamentos. Estima-se que 65% das

infecções hospitalares são causadas pela formação de biofilmes (Satpathy et al., 2016).

Portanto, um dos meios de se evitar esse tipo de infecção é criar condições para prevenir

a adesão bacteriana à superfície do biomaterial implantado (Radzig et al., 2013).

A incorporação direta de antibióticos orgânicos nos biomateriais por ancoragem

em superfície ou por encapsulamento apresentam desvantagens que reduzem sua

eficiência, principalmente quando se trata de enxertos e implantes de fosfatos de cálcio.

Geralmente, esses antibióticos possuem uma alta instabilidade térmica e química,

podendo ser facilmente deteriorados com o tempo de armazenamento do material em

prateleira, ou mesmo durante a sua manipulação. Uma das alternativas ao uso dos

antibióticos comuns é a utilização de agentes antimicrobianos iônicos, tais como Ag+,

Cu2+, Zn2+ e Ti4+ (Šupová, 2015). Sua maior vantagem é a alta estabilidade térmica e

química quando convenientemente inseridos na estrutura dos biomateriais. Esses íons

3

podem ser facilmente adicionados às biocerâmicas durante o processo de síntese (Yang

et al., 2011) via dopagem direta da própria estrutura, estando disponíveis na superfície

ou bulk do material e sendo eliminados a medida em que este é degradado pelo

organismo vivo.

A prata metálica (Ag0) e alguns compostos contendo íons Ag+ são largamente

utilizados pela sua eficácia contra uma ampla gama de patógenos, a qual inclui várias

bactérias multirresistentes (Aslam et al., 2016). Quando em baixas concentrações, a

atividade citotóxica é quase nula apresentando apenas a atividade antibacteriana

(Chopra, 2007). Em sua forma iônica, a prata pode penetrar no interior da célula

bacteriana e alterar a estrutura do ácido desoxirribonucleico (DNA), afetando sua

replicação e interferindo diretamente no metabolismo celular (Durán et al., 2010). Além

disso, esse íon é capaz de alterações significativas na permeabilidade da membrana

celular, ocasionando a morte da célula (Marx e Barillo, 2014). Por se tratar de um íon

inorgânico e de fácil manipulação, a utilização de Ag+ em associação à HA e à outros

fosfatos de cálcio vem sendo bastante estudada (Capela et al., 2017; Chen et al., 2007;

Ewald et al., 2011; Hoover et al., 2017; Peetsch et al., 2013; Rameshbabu et al., 2007;

Vasiliev et al., 2009).

Um dos métodos de inserção dos íons Ag+ na HA consiste na dopagem da sua

estrutura pela substituição dos sítios catiônicos do Ca2+ durante a síntese (Ciobanu et

al., 2011; Dubnika e Zalite, 2014; Fakharzadeh et al., 2017; Iqbal et al., 2012; Shi et al.,

2015; Yang et al., 2011). No entanto, isso pode provocar alterações estruturais capazes

de promover transformações de fase durante os tratamentos térmicos normalmente

empregados na fabricação de enxertos, implantes e recobrimentos (Stanić et al., 2015).

Essas transformações podem levar à formação de fases menos biocompatíveis ou

tóxicas às células humanas (Šupová, 2015;Wang et al., 2015).

Os íons Ag+ também podem ser incorporados na HA por troca iônica a partir da

imersão dos cristais em uma solução contendo Ag+ (Lim et al., 2015). A

funcionalização da superfície de blocos cerâmicos e enxertos de HA com íons Ag+ pode

ser uma alternativa para evitar transformações de fase na estrutura da HA, uma vez que

os materiais já estariam tratados termicamente e prontos para uso. Essa funcionalização

de superfície consistiria em se promover a troca iônica de parte dos íons Ca2+ de

superfície por íons Ag+. Mesmo estando apenas na superfície, o efeito antimicrobiano

dos íons Ag+ liberados, provavelmente, duraria o tempo necessário para se evitar

contaminações no período pós-implantação.

4

A troca iônica é um processo que ocorre através da substituição dos íons que

compõem a superfície de um material por outros íons, seguida ou não da difusão para o

bulk. Geralmente, estes processos iniciam-se por uma adsorção, seguida da troca iônica,

e difusão na rede (Gómez-Morales et al., 2013). Trata-se de um processo cinético

difusivo na interface sólido/líquido e bulk do material e, por isso, a energia envolvida no

processo é determinante para a sua eficiência. O processo de troca iônica é intensificado

quando os íons em solução encontram-se mais disponíveis para a interação com os sítios

de adsorção na superfície. A solvatação desses íons pode interferir diretamente nesse

processo, uma vez que, estando mais solvatados, acabam ficando menos disponíveis

para interações subsequentes com a superfície (Dos Santos et al., 2002).

A utilização da radiação micro-ondas pode promover uma inserção eficiente dos

íons Ag+ na estrutura da HA em um menor tempo (Iqbal et al., 2013; Iqbal et al., 2012;

Rameshbabu et al., 2007). O aquecimento por micro-ondas se sobressai em relação à

métodos tradicionais de aquecimento por propiciar um aquecimento volumétrico

uniforme que permite a redução dos tempos de reação. Além disso, promove a

diminuição de barreiras energéticas envolvidas nas reações em meios aquosos por

aumentar a agitação térmica das moléculas de água que formam uma camada de

solvatação ao redor dos íons presentes em solução (Hassan et al., 2016). Apesar da

grande quantidade de trabalhos que relatam o uso do aquecimento por micro-ondas para

sínteses de HA pura (Demirtas et al., 2015; Liang et al., 2013; Meejoo et al., 2006;

Mishra et al., 2014; Siddharthan et al., 2006; Wang e Fu, 2011; Zou et al., 2012), pouco

ainda se sabe sobre a influência real do aquecimento por micro-ondas nos processos de

dopagem de sua estrutura em comparação aos métodos tradicionais de aquecimento

promovidos por condução e convecção. Assim, o objetivo desse estudo é investigar a

influência do aquecimento por micro-ondas nas reações entre os íons Ag+ e a superfície

de nanocristais de HA, bem como na dopagem da sua estrutura.

5

CAPÍTULO 2.

OBJETIVOS

6

2.1 OBJETIVO GERAL

O objetivo principal desse trabalho é estudar o efeito do aquecimento por micro-

ondas nas reações entre os íons Ag+ e a superfície de cristais de HA, bem como o efeito

desse aquecimento na inserção dos íons Ag+ na estrutura da HA.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Estudar as reações na interface sólido/líquido entre os íons Ag+ e os cristais de

HA em processos de troca iônica.

Avaliar o efeito isolado do aquecimento por micro-ondas na estrutura dos

nanocristais de HA;

Avaliar o efeito isolado do aquecimento por micro-ondas nas reações entre os

íons Ag+ e a superfície dos nanocristais de HA;

Verificar a influência que a radiação micro-ondas exerce na dopagem da

estrutura da HA por íons Ag+.

7

CAPÍTULO 3.

FUNDAMENTAÇÃO

TEÓRICA

8

3.1 ESTRUTURA DA HIDROXIAPATITA

A HA é um fosfato de cálcio com fórmula estequiométrica Ca5(PO4)3OH

usualmente escrita como Ca10(PO4)6(OH)2 para denotar que a célula unitária do cristal

compreende duas moléculas. Quimicamente puro, esse fosfato pode se cristalizar em

duas formas: monoclínica e hexagonal (Dorozhkin, 2017).

Em sua forma mais estável, a HA cristaliza-se sob a forma hexagonal cujos

parâmetros de rede são a = b = 9,423 Å e c = 6,875 Å. A célula unitária da HA

hexagonal é formada, principalmente, por seis tetraedros do grupo PO43- e dez íons de

cálcio Ca2+ distribuídos assimetricamente em dois sítios, os quais se diferenciam pela

quantidade de Ca2+ e pela disposição desses cátions ao longo da célula unitária (Figura

1). No sítio Ca (I), quatro íons Ca2+ se dispõem em colunas paralelas ao eixo c, são

coordenados por três íons O2- mais distantes e seis O2- provenientes de diferentes grupos

PO43-. Já no sítio Ca (II), seis íons Ca2+ ordenam-se em forma de triângulos equiláteros

perpendiculares ao eixo c e são coordenados por seis íons O2- e um grupo hidroxila OH-.

A forma como cada sítio é coordenado torna a estrutura da HA suscetível a vários tipos

de substituições catiônicas. Assim, a depender do cátion, um dos sítios de Ca2+ será

preferencialmente substituído (Gshalaev e Demirchan, 2012).

Além das substituições catiônicas, a HA possui a capacidade de comportar íons

de natureza diversa em sua estrutura, praticamente metade dos elementos da tabela

periódica (Hughes e Rakovan, 2002). Substituições catiônicas e aniônicas isomorfas

podem acontecer individual ou simultaneamente em sua estrutura. Os grupos CO32- e

VO43- podem, comumente, substituir os grupos PO4

3-, bem como ânions F- e Cl- podem

substituir os grupos OH-. O íon de Ca2+ pode ser substituído por diversos cátions

metálicos tais como, Cd2+, Sr2+, Fe2+, Cu2+, Zn2+, Li2+, Na+, K+, dentre outros.

Substituições catiônicas por íons monovalentes provocam desequilíbrio de cargas na

estrutura. Tais desequilíbrios de cargas são normalmente compensados pela criação de

vacâncias de OH- e de Ca2+. Além da criação de vacâncias, esses desequilíbrios podem

ser compensados por substituições catiônicas e aniônicas simultâneas e com espécies de

valências diferentes (Šupová, 2015).

9

Figura 1. Esquema da estrutura atômica de uma célula unitária hexagonal da HA

exibindo a posição dos sítios Ca (I) e Ca (II) em relação aos grupos PO43- e OH-.

Pura ou com substituições iônicas, a HA pode ser obtida a partir de várias

técnicas de preparação que podem ocorrer a partir de reações no estado sólido ou a

partir da precipitação por via úmida (Dorozhkin, 2017). A utilização de micro-ondas

nesses métodos de obtenção da HA como fonte de aquecimento tem sido considerada

mais vantajosa do que os métodos convencionais de aquecimento por reduzir o tempo

de preparação (Hassan et al., 2016).

3.2 EFEITOS DA RADIAÇÃO MICRO-ONDAS SOBRE OS MATERIAIS

No espectro eletromagnético, a radiação micro-ondas ocorre num comprimento

de onda entre 1 mm e 1 m, com frequências entre 300 GHz e 0,3 GHz, em uma área de

transição entre a radiação infravermelho e as ondas de rádio. Para evitar interferências

com telecomunicações e frequências de telefones celulares, a frequência das micro-

ondas para aquecimento mais utilizada é 2,45 GHz (Stuerga e Delmotte, 2002).

10

A interação dielétrica entre os materiais e as micro-ondas pode ser descrita por

dois parâmetros importantes: a potência absorvida e a profundidade de penetração de

micro-ondas. Eles determinarão a uniformidade de absorção de micro-ondas em todo o

material. A absorção de micro-ondas, bem como sua conversão em energia térmica é

dependente do fator de perda dielétrica e da constante dielétrica de cada material e da

frequência utilizada no procedimento (Oghbaei e Mirzaee, 2010).

A utilização de frequências relativamente baixas (2,45 GHz) no aquecimento de

cerâmicas por micro-ondas dificulta o aquecimento direto, pois essa frequência não é

absorvida de forma eficiente pelas cerâmicas. Em temperatura ambiente, grande parte

dos materiais cerâmicos é quase transparente à radiação de micro-ondas devido ao baixo

fator de perda dielétrica. Esse fator aumenta rapidamente acima de uma temperatura

crítica (por exemplo, acima de 600°C para a alumina Al2O3), resultando em um

aquecimento efetivo. Nesse caso, utiliza-se um material absorvedor de micro-ondas em

temperatura ambiente (susceptor), esse irá aquecer a cerâmica até que sua temperatura

crítica seja atingida, mesmo em temperatura ambiente e em baixas frequências. Após

atingir a temperatura crítica, que varia de material para material, a peça passa a absorver

a radiação de micro-ondas efetivamente (Menezes et al., 2007; Mishra e Sharma, 2016).

Fisicamente, o aquecimento por micro-ondas ocorre principalmente de forma

dielétrica devido à presença de dipolos elétricos em moléculas polares. Esse

aquecimento ocorre a partir do campo elétrico gerado pela radiação eletromagnética de

alta frequência (Hassan et al., 2016), por dois mecanismos primários: a condução iônica

e rotação dipolar (Figura 2).

Figura 2. Mecanismos de aquecimento por micro-ondas (de Sousa Filho e Serra, 2015).

No mecanismo de rotação dipolar, o dipolo molecular é afetado pelos campos

elétricos externos e inicia uma rotação para se alinhar com o campo. No entanto, sob

11

altas frequências, os dipolos não têm tempo suficiente para responder ao campo

oscilante e colidem uns com os outros, dissipando energia em forma de calor no

material. É o caso da água e de outras moléculas polares. Esse mecanismo é o princípio

fundamental do aquecimento de materiais por perda dielétrica. Já no mecanismo de

condução iônica, portadores de cargas (elétrons, íons, etc.) oscilam em sentidos

contrários dentro do material sob a influência do campo elétrico alternado gerado pelas

micro-ondas. O aquecimento subsequente ocorre em decorrência da criação de uma

resistência elétrica à passagem dessa corrente devido a colisões dos portadores de carga

com espécies carregadas, moléculas, átomos, vacâncias, discordâncias e vários outros

defeitos estruturais. A utilização de micro-ondas para aquecimento dos mais diversos

materiais se sobressai diante dos métodos convencionalmente utilizados por apresentar

vantagens como rápido e uniforme aquecimento volumétrico (Figura 3).

Figura 3. Perfis de aquecimento dos materiais em relação ao tipo de aquecimento (de

Sousa Filho e Serra, 2015).

Além do campo elétrico, as micro-ondas também podem interagir com alguns

materiais, em altas frequências, para induzir o aquecimento através do campo

magnético, podendo ocorrer, como consequência, outros tipos de aquecimento por

micro-ondas, tais como aquecimento por perda magnética, aquecimento Joule causado

por perdas condutoras, etc. (Sun et al., 2016).

12

CAPÍTULO 4.

REVISÃO DE

LITERATURA

13

4.1 CAPTURA DE ÍONS METÁLICOS PELA HIDROXIAPATITA

Uma das principais características das apatitas nanocristalinas, além da área

superficial muito alta, é a existência de uma camada superficial hidratada desordenada

(Figura 4). Essa camada, cuja natureza é não-apatítica, é formada em decorrência do

processo de precipitação dos nanocristais em meio aquoso. O termo não-apatítico se

refere aos grupamentos iônicos que não são encontrados em apatitas bem ordenadas.

Por estar situada na superfície dos cristais, essa camada pode facilitar a interação com

íons, macromoléculas e fármacos devido à sua grande mobilidade iônica, que aumenta

sua capacidade de adsorção e troca iônica. As propriedades de adsorção das apatitas

nanocristalinas dependem da composição desta camada, onde os íons fracamente

ligados podem ser facilmente e reversivelmente substituídos. No entanto, a mesma

tende a desaparecer progressivamente à medida que os domínios apatíticos se

estabilizam nos cristais durante o processo de envelhecimento em meios aquosos

(Eichert et al., 2007; Gómez-Morales et al., 2013; Rey et al., 2007). Essa elevada

reatividade na superfície provocada por essa camada é responsável por permitir a rápida

troca iônica com íons circundantes presentes no meio aquoso (Cazalbou et al., 2005;

Drouet et al. 2005).

Figura 4. Representação do "modelo de camada superficial hidratada" para nanocristais

de apatita pouco cristalinos (Eichert et al., 2007).

A HA é muito utilizada em experimentos de adsorção e troca iônica em meio

aquoso devido a sua alta capacidade de sorção de actinídeos e metais pesados, sua baixa

solubilidade em água dos fosfatos metálicos resultantes da interação com os PO43-

14

liberados pela HA e sua elevada estabilidade sob condições redutoras e oxidantes

(Fuller et al., 2002; Krestou et al., 2004). Por definição, sorção é um termo geral que

descreve a ligação de espécies de uma solução a superfícies sólidas coexistentes. Os três

processos característicos dos fenômenos de sorção são a adsorção superficial, a difusão

no sólido e a precipitação ou co-precipitação. Estudos de sorção de íons metálicos na

superfície da HA já foram conduzidos para inúmeras espécies iônicas, tais como Zn2+,

Cd2+, Sr2+, Ni2+, Pb2+ e Cu2+ (Elkady et al., 2011; Kaludjerovic-Radoicic e Raicevic,

2010; Lower et al., 1998; Mobasherpour et al., 2012; Sandrine et al., 2007; Stötzel et

al., 2009). Nesses processos, ocorre tanto a adsorção superficial quanto a difusão para o

interior do sólido. Isso dificulta a definição de qual deles tem maior influência nos

processos de sorção (Xu et al., 1994).

Os mecanismos de interação entre os cristais de HA e os cátions metálicos

envolvem dissolução/precipitação, troca iônica e formação de fosfatos metálicos em sua

superfície (Zhu et al., 2008). Na maioria dos casos, dois ou mais mecanismos ocorrem

simultaneamente quando os cristais de HA se encontram em meio aquoso contendo

cátions metálicos. A interação da HA com íons metálicos em meio aquoso pode resultar

na formação de fosfatos metálicos relativamente insolúveis e/ou na sorção desses íons

na superfície da HA reduzindo, portanto, a concentração dos íons em solução (Sandrine

et al. 2007). Além da troca iônica por outros cátions em solução na camada hidratada na

superfície da HA, fosfatos ácidos H2PO4- podem se formar e se reprecipitar na

superfície e liberando íons PO43- para reagir com os íons metálicos em solução (Guo et

al., 2017).

A ação de mais de um mecanismo foi confirmada por Srinivasan et al. (2006).

Os autores estudaram a capacidade de sorção de íons de cádmio Cd2+ e chumbo Pb2+ em

um material macroporoso constituídos de HA e uma pequena quantidade de fosfato de

cálcio amorfo em função da temperatura (50°C e 80°C). A fase HA apresentou uma

maior afinidade na incorporação do Cd2+, que provocou uma redução nos parâmetros de

rede pelo fato do raio iônico de Cd2+ ser menor que o de Ca2+. Já o Pb2+, quando

aquecido em meio aquoso, cristalizou-se na fase hidroxipiromorfita Pb10(PO4)6(OH)2

via dissolução/precipitação, provavelmente, promovida pelo fosfato de cálcio amorfo.

Dependendo do íon em contato com a HA, um mecanismo terá prioridade. Nesse caso,

o mecanismo de dissolução/precipitação ocorreu mais rápido que o de troca iônica.

A troca iônica também pode ser utilizada para obtenção da HA. O estudo de

Xiao et al. (2018) teve como objetivo a formação de microesferas porosas de CaCO3

15

recobertas por HA, cuja formação foi assistida por micro-ondas. O CaCO3 foi aquecido

no micro-ondas em meio aquoso com pH 11 contendo íons PO43-. Assim, a fase HA do

recobrimento foi formada por troca aniônica dos íons CO32- por PO4

3- em meio aquoso.

Os autores afirmam que prolongar o tempo de exposição às micro-ondas aumenta a

quantidade de fase HA formada. Adicionalmente, com o aquecimento por micro-ondas,

os autores afirmaram que as microesferas foram preparadas em um tempo menor que o

tempo de preparo utilizando métodos convencionais de aquecimento citados na

literatura.

4.2 SÍNTESES DE HIDROXIAPATITA VIA MICRO-ONDAS

O aquecimento por micro-ondas vem sendo muito utilizado em adaptações às

metodologias tradicionais de obtenção de HA, nas quais o aquecimento se baseia na

convecção e condução de energia térmica. Os métodos convencionais de aquecimento,

geralmente, envolvem fornos elétricos, estufas ou banhos isotérmicos de óleo, os quais

se baseiam no aquecimento das paredes do reator por irradiação e/ou condução e

somente depois o aquecimento dos reagentes por condução e convecção. Os reatores

agem como intermediários na transferência de energia térmica da fonte de calor para os

solventes e, em seguida, para os reagentes. (Zhu e Chen, 2014). Com o intuito de

reduzir o tempo de reação, vários métodos têm sido utilizados para preparar a HA em

diferentes formas e tamanhos. A Figura 5 mostra os principais métodos de obtenção de

HA nanocristalina a partir do aquecimento por micro-ondas (Hassan et al., 2016).

16

Figura 5. Ilustração dos principais métodos de obtenção de HA nanocristalina assistidos

por micro-ondas. Adaptado de Hassan et al. (2016).

Quando os cristais de HA são obtidos por co-precipitação, o aquecimento por

micro-ondas pode provocar variação no tamanho e na forma das partículas em função

da potência. As partículas tornam-se menos aciculares com o aumento da potência

(Siddharthan et al., 2006). Esse efeito pode ser atribuído ao simples aumento da

temperatura, pois em processos convencionais de precipitação, o tamanho, a morfologia

e ordenamento dos cristais da HA precipitada são afetados pela temperatura e pelas

condições de envelhecimento. Além disso, o aumento da temperatura durante a síntese

provoca um aumento no tamanho do cristalito (Lazić et al., 2001).

A utilização de micro-ondas no método hidrotermal possibilita a obtenção de

uma HA de alta cristalinidade em um tempo menor que o das sínteses que utilizam

métodos convencionais de aquecimento (Mishra et al., 2014). No método hidrotermal, o

aquecimento por micro-ondas provoca mudanças na morfologia, no grau de

cristalinidade e no tamanho do cristalito. Isso provoca um aumento desses parâmetros

com o aumento de temperatura e tempo de aquecimento por micro-ondas (Wang e Fu,

2011). A associação do aquecimento por micro-ondas a esse método resulta na obtenção

17

de cristais de HA homogêneos em termos de tamanho, porosidade e morfologia

(Meejoo et al., 2006). O aumento da potência e do tempo de aquecimento ocasionam

mudanças na morfologia e aumento na cristalinidade, possibilitando a obtenção de uma

HA com alto grau de cristalinidade sem calcinação (Demirtaş et al., 2015; Liang et al.,

2013)

Sabe-se que tanto as micro-ondas quanto o ultrassom são estratégias muito

utilizadas como fonte de energia para obtenção de cristais de HA. Zou et al. (2012)

sintetizaram um a HA carbonatada por um processo de cristalização promovida pela

associação de ultrassom e micro-ondas. Nesse caso, o ultrassom, quando utilizado como

única fonte de energia, não promove a cristalização efetiva em um curto espaço de

tempo. Por isso, a utilização de micro-ondas acelera o processo conferindo alta

cristalinidade ao precipitado.

Como mencionado anteriormente (subitem 3.2, Capítulo 3), na frequência em

que são utilizadas para fins de aquecimento, as micro-ondas não são absorvidas por

grande parte das cerâmicas, não havendo, portanto, absorção direta por parte da HA.

Desse modo, as modificações observadas nos estudos acima citados são consequências

do efeito da temperatura além das interações com as espécies iônicas durante a

formação e crescimento dos cristais em decorrência do rápido aquecimento do meio

aquoso em que a HA se encontra durante o procedimento.

4.3 INCORPORAÇÃO DE PRATA IÔNICA NA HIDROXIAPATITA

A associação da prata à HA pode ocorrer a partir da associação de compostos de

prata ao biomaterial ou pode ocorrer a partir da inserção de íons Ag+ nos sítios de cálcio

de sua estrutura cristalina gerando uma apatita dopada com prata. No entanto, algumas

modificações podem ser observadas em decorrência dessa inserção. O método de

obtenção da HA contendo prata também pode exercer influência na entrada de Ag+ na

estrutura apatítica.

Ciobanu et al. (2011) sintetizaram uma HA contendo Ag+ numa razão atômica

Ag/(Ag+Ca) de 20%. O biomaterial foi obtido por co-precipitação a 100°C e, embora a

presença de prata tenha sido confirmada por meio de espectroscopia de energia

dispersiva de raios X, nenhuma fase secundária foi observada nos difratogramas. Nesse

estudo, a substituição dos íons Ca2+ por Ag+ na estrutura da HA verde causou uma sutil

18

modificação na forma dos cristais além de diminuir o tamanho do cristalito em relação à

HA pura também estudada.

Jadalannagari et al. (2013) e Mirzaee et al. (2016) afirmam que o aumento da

concentração de Ag+ provoca um aumento nos parâmetros de rede. Essas mudanças são

apontadas como indício da substituição de Ca2+ por Ag+ na rede da HA, já que os íons

Ag+ (0,128 nm) possuem raio iônico médio maior que o dos íons Ca2+ (0,099 nm).

Os íons Ag+ também podem ser inseridos na estrutura da HA via precipitação

química em meio aquoso. Iqbal et al. (2012) sintetizaram a HA dopada com prata em

concentrações de 0,3% Ag+, 1% Ag+ e 5% Ag+ em peso. Os cristais foram agitados por

ultrassom durante a precipitação e envelhecidos em forno micro-ondas por 10 minutos a

800 W de potência. Dubnika e Zalite (2014) também obtiveram uma HA contendo íons

Ag+ (0,5% e 0,8 % em peso) por precipitação química em meio aquoso. A suspensão foi

mantida em agitação constante a 90°C e os cristais precipitados foram envelhecidos por

15 horas. Em ambos os estudos, independentemente das adaptações ao método, o

aumento na concentração de prata aumenta a instabilidade térmica da HA. As tensões

causadas pelas substituições iônicas ocasionaram o aparecimento de picos

correspondentes à fase Ag0 após a calcinação. Pode-se supor que haja um limite de

substituição de Ag+ por Ca2+ durante a síntese via precipitação química em meio aquoso

contendo Ag+, pois, nos dois casos, houve formação de Ag0 em concentrações acima de

0,3% em peso de Ag+. Apesar de sintetizarem a HA contendo Ag+ por um método

diferente, Shi et al. (2015) também afirmaram que há uma limitação na dopagem

conforme se aumenta a concentração de Ag+ via síntese hidrotermal. Segundo os

autores, isso se deve às grandes distorções causadas pela entrada de um íon

monovalente na rede da HA.

Rameshbabu et al. (2007) sintetizaram HA dopada com prata usando micro-

ondas para a obtenção de um material bactericida. Além da fase HA, as fases fosfato de

prata Ag3PO4, Ag0 e β-trifosfato de cálcio foram detectadas nas amostras após

tratamento térmico em temperaturas superiores a 700°C. Foi percebida uma

estabilização de fases da HA dopada com prata até a temperatura de 700ºC sem que

houvesse formação de fases secundárias. No entanto, essa estabilidade térmica foi

reduzida com o aumento da concentração de prata, pois houve uma maior criação de

vacâncias nos sítios dos grupos OH- devido ao desequilíbrio de cargas causado pela

substituição de Ca2+ por Ag+.

19

Embora menos difundida, a associação da prata à HA também pode ocorrer a

partir da imersão dos cristais de HA já sintetizados em uma solução com algum

precursor de Ag+, o nitrato de prata AgNO3 é mais comumente utilizado para esses fins.

Nessa associação, os íons Ag+ substituem os íons Ca2+ por mecanismos de troca iônica

(Lim et al., 2015). Yang et al. (2007) utilizaram a troca iônica para incorporação de Ag+

em estruturas porosas de HA. Como resultado da dopagem, a incorporação de Ag+ foi

responsável pela formação da fase Ag3PO4 e pela razão Ca/P (1,53) menor que a razão

estequiométrica (1,67) sugerindo a transformação da fase da HA estequiométrica em

uma HA deficiente de cálcio. Esse método de incorporação por troca iônica é mais

amplamente utilizado quando a HA dopada com prata será produzida como recobertura

de outros materiais, pois o revestimento de HA contendo Ag+ liberaria mais íons quando

comparado a um revestimento contendo Ag0 (Ando et al., 2010).

Ainda há muitas questões a serem esclarecidas em relação às reais alterações

ocasionadas pela entrada de íons Ag+ na estrutura da HA, em relação à compreensão do

efeito predominante na estrutura nesses casos e em relação à quantidade máxima de íons

Ca2+ que a estrutura da HA pode substituir por Ag+. Assim, a escolha do modo de

inserção desses íons para obtenção de cristais de HA com ação antimicrobiana irá

depender da forma dos cristais bem como de sua aplicação, podendo ser por síntese,

troca iônica ou formação de compósitos a partir de rotas alternativas.

4.4 AÇÃO ANTIBACTERIANA DA PRATA

A formação de um biofilme bacteriano pode ser dividida em três etapas: adesão,

crescimento e proliferação (Figura 6). Na primeira etapa, as células planctônicas (não

aderidas) da primeira etapa ligam-se ao substrato por mecanismos de adesão e adsorção.

A segunda etapa envolve o crescimento a partir da multiplicação, desenvolvimento do

biofilme e finalmente produz uma estrutura de um biofilme maduro. Na terceira etapa,

se inicia a dispersão e proliferação de células provenientes do biofilme (Satpathy et al.,

2016). Assim, as infecções provocadas por biofilmes bacterianos podem ser evitadas,

principalmente, a partir da prevenção da adesão e adsorção de bactérias à superfície do

biomaterial. A prata possui um papel fundamental nessa prevenção devido a sua

atividade antibacteriana (Chopra, 2007).

20

Figura 6. Etapas de desenvolvimento dos biofilmes bacterianos (Dirckx, 2003).

A prata (na forma iônica ou elementar) é muito usada para obter uma

substituição óssea com efeito bactericida devido a sua conhecida eficácia contra uma

ampla gama de patógenos que frequentemente causam infecções em implantes sintéticos

de HA. Além disso, apresenta um equilíbrio entre a atividade citotóxica e a atividade

antibacteriana em baixas concentrações (Chopra, 2007).

A Ag0 é biologicamente inerte, mas quando em meio aquoso ou em fluido

corporal sofre oxidação seguida de uma lenta ionização liberando íons Ag+ altamente

reativos. Em sua forma iônica ou como nanopartículas, a prata apresenta vários

mecanismos de ação antibacteriana, todos eles supostos a partir de mudanças estruturais

e morfológicas que a célula bacteriana apresenta (Rai et al., 2009; Xiu et al., 2011).

Dentre esses, quatro principais mecanismos podem ser destacados como responsáveis

pela resposta bactericida da prata (Figura 7).

O primeiro mecanismo envolve a adesão na parede celular e subsequente

produção de espécies reativas de oxigênio (ERO) seguida da alteração na

permeabilidade da membrana e a consequente morte celular. No segundo mecanismo, a

internalização de prata causa danos nas membranas nucleares, desnaturando o DNA e

inibindo a replicação da célula. Já no terceiro mecanismo, os íons Ag+ interagem com

enzimas e proteínas que contêm enxofre comprometendo sua funcionalidade podendo

resultar na inativação da célula. No quarto mecanismo a prata se acumula nas proteínas

perturbando o gradiente eletroquímico de prótons que mantem a síntese de adenosina

trifosfato (ATP) e causando o esgotamento intracelular dos níveis de ATP. O resultado

21

do não fornecimento de energia à bactéria é a morte celular (Reidy et al., 2013). Esses

mecanismos podem ocorrer simultaneamente aumentando os danos às células

bacterianas, por isso a eficácia da prata e de seus compostos é comprovada e confirmada

na literatura.

Figura 7. Representação esquemática dos mecanismos de ação antibacteriana da prata

envolvendo nanopartículas e íons Ag+. Esquema modificado de Reidy et al. (2013).

Segundo Chernousova e Epple (2013), o cátion Ag+ pode perturbar os processos

bioquímicos a partir de várias possibilidades por ser um ácido de Lewis suave que tem

afinidade ao enxofre, mas também ao nitrogênio. O autores ainda afirmam que, além de

poder formar sais de prata levemente solúveis (AgCl, Ag2S), o efeito adverso dos Ag+

deve-se à interações com grupos de proteínas de tiol e amino, com ácidos nucleicos e

com membranas celulares. Diante do exposto, a aplicação da prata em produtos

médicos, cosméticos e de consumo encontra suporte no tratamento e prevenção de

infecções bacterianas.

22

CAPÍTULO 5.

MATERIAL E

MÉTODOS

23

5.1 SÍNTESE DA HIDROXIAPATITA PURA NANO-ESTRUTURADA

A HA pura nano-estruturada foi sintetizada no Laboratório de Biomateriais

(DCEM/UFS) através do método de precipitação em meio aquoso a partir de uma

reação ácido-base (Equação 1), utilizando-se soluções a 0,334 mol L-1 de hidróxido de

cálcio Ca(OH)2 (Sigma-Aldrich, 99%) e 0,220 mol L-1 de ácido fosfórico H3PO4

(Kosher, 85%). A reação foi realizada em banho de óleo de silicone sob refluxo numa

temperatura constante de 60°C. O pH foi mantido acima de 10 a partir da adição de

hidróxido de amônio NH4OH (Neon, 28-30%). Após o período de envelhecimento de 24

horas de agitação constante a 60°C em banho de óleo sob refluxo, o precipitado foi

filtrado, lavado com água destilada até o pH do sobrenadante atingir o valor do pH

original da água destilada usada e, em seguida, seco em estufa por 24 horas a 120°C. O

pó obtido foi peneirado (abertura de malha de 180 m) e armazenado em ambiente seco.

Nenhum tratamento térmico foi realizado de forma a garantir que as partículas formadas

continuassem na forma nano-estruturada e pouco ordenada.

6 H3PO4 aq +10 Ca OH 2 aq →Ca10 PO4 6 OH 2 s +18 H2O aq Equação (1)

5.2 TROCA IÔNICA

A HA nano-estruturada obtida foi utilizada nos ensaios de troca iônica após imersão

em solução aquosa contendo íons Ag+. A energia térmica utilizada para possibilitar as

reações foi fornecida a partir de duas fontes distintas: aquecimento em forno micro-

ondas e aquecimento em banho de óleo de silicone. O tempo de aquecimento em banho

de óleo foi determinado em função do tempo utilizado pelo grupo de pesquisa para

ensaios de troca iônica.

5.2.1 Aquecimento em forno micro-ondas

Em um reator polimérico, 200 mg do pó de HA pura foi adicionado à 50 mL de

uma solução aquosa a 0,1 mol L-1 de AgNO3 (Sigma-Aldrich, 99%). A suspensão foi

aquecida em forno micro-ondas (CEM Mars 907501) por 15 minutos a 100°C sob a

potência de 800 W. Como controle, o mesmo procedimento foi realizado utilizando-se

água sem adição de íons Ag+. Após o aquecimento, as suspensões foram filtradas em

24

membranas porosas (0,45 µm, Millipore), lavadas com água destilada e álcool etílico e,

por fim, secas em estufa a 120°C por 24 horas. O procedimento foi realizado no

Laboratório de Química Biológica e Materiais (QUIBIOM-DQI/UFS).

5.2.2 Aquecimento em banho de óleo

Para que fosse possível isolar o efeito das micro-ondas do efeito inerente ao

aquecimento, 200 mg do pó de HA pura foi adicionado à 50 mL de uma solução aquosa

0,1 mol L-1 de AgNO3 (Sigma-Aldrich, 99%) em um balão de fundo chato. A suspensão

foi submetida a um aquecimento em banho de óleo de silicone por 4 horas em

temperatura constante de 80°C sob refluxo. Como controle, o mesmo procedimento foi

realizado utilizando-se água destilada sem adição de íons Ag+. Após o aquecimento, as

suspensões foram filtradas em membranas porosas, lavadas com água destilada e com

álcool etílico, e secas em estufa a 120°C por 24 horas. Esta etapa do procedimento foi

realizada no Laboratório de Biomateriais (DCEM/UFS).

5.3 ANÁLISE ELEMENTAR

A quantificação dos elementos presentes nas amostras foi realizada no

Laboratório de Técnicas de Raios X (DCEM/UFS) por espectroscopia de fluorescência

de raios X por dispersão de comprimento de onda (WDXRF) num espectrofotômetro

Bruker (S8 Tinger). Uma curva de calibração utilizando-se padrões de HA contendo

diferentes concentrações de prata foi construída. As quantidades dos elementos Ca, P e

Ag foram determinadas e normalizadas em função do total de elementos identificados.

5.4 CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL

5.4.1 Análise estrutural por difração de raios X

As fases presentes nas amostras foram identificadas por difração de raios X (DRX).

As análises foram realizadas no Laboratório de Técnicas de Raios X (DCEM/UFS) em

um difratômetro Shimadzu modelo XRD 6000 CuKα1 ( = 1,5405 Å) operando a 60 kV

e 55 mA, filtro de Ni, detector de cintilação. Os difratogramas foram obtidos variando-

se 2θ de 10° a 60°, sob um passo de 0,02° com tempo de aquisição de 2 s por ponto.

25

Os padrões de difração obtidos foram refinados pelo método de Rietveld

utilizando o software HighSchore plus (PANalytical), o que permitiu avaliar possíveis

modificações estruturais causadas pela interação dos íons Ag+ com os cristais de HA

após o aquecimento (micro-ondas ou banho de óleo). Para isso, foram utilizados os

arquivos com as informações cristalográficas das fases, obtidas a partir do banco de

dados disponibilizado pelo Centro Internacional de Dados de Difração (International

Centre for Diffraction Data, ICDD): Ca10(PO4)6(OH)2 (ICDD 26204), Ag3PO4 (ICDD

1530), CaO (ICDD 51409) e Ag0 (ICDD 52545). Além dos parâmetros de rede, o

tamanho de cristalito e a razão de aspecto dos cristais também foram estudados.

O tamanho do cristalito das amostras foi estimado a partir da equação de Scherrer

(Equação 2),

Dhkl= K.βhklcosθ

Equação (2)

sendo Dhkl o tamanho médio do cristalito, K o fator de forma admitindo-se que todas as

partículas fossem esféricas (K = 0, ), o comprimento de onda dos raios X, βhkl a

intensidade da largura a meia altura (FWHW) dos picos correspondentes aos planos

(0 0 2) e (3 0 0) da HA e θ o ângulo relativo aos picos correspondentes aos planos

(0 0 2) e (3 0 0), referentes ao eixo c da rede hexagonal da HA. Já a razão de aspecto

dos cristais, que estima a esfericidade dos cristais, pode ser obtida através da razão entre

a intensidade máxima dos picos relativos aos planos ortogonais (0 0 2) e (3 0 0) da HA,

como mostra a Equação 3.

Razão de aspecto dos cristais= Intensidademáx (0 0 2)Intensidademáx (3 0 0) Equação (3)

5.4.2 Análise da evolução de grupamentos químicos na estrutura da hidroxiapatita

Sínteses conduzidas sem controle de atmosfera podem ocasionar a entrada de

dióxido de carbono CO2 sob a forma de íon carbonato CO32- na estrutura da HA. Uma

vez na estrutura, esses íons podem ser inseridos nos sítios iônicos de PO43- e OH-.

Assim, as amostras foram analisadas por espectroscopia no infravermelho por

transformada de Fourier (FTIR) com o intuito de avaliar as modificações nos grupos

PO43-, CO3

2-, HPO42- e OH-. O equipamento utilizado foi um espectrofotômetro de

infravermelho Varian modelo 640-IR no modo transmitância, operando na faixa de

4000 cm-1 a 400 cm-1, com passo de 4 cm-1, utilizando pastilhas de brometo de potássio

26

KBr. As análises foram realizadas no Laboratório de Corrosão e Nanotecnologia

(LCNT-NUPEG/UFS).

A utilização do procedimento matemático de deconvolução na ampliação das

regiões próximas aos modos vibracionais v3 PO43-, v4 PO4

3- e v2 de CO32- foi necessária,

pois ocorre uma sobreposição das bandas nas principais regiões do espectro absorção na

região do infravermelho da HA. As bandas de absorção consideradas para cada região

foram definidas com base no trabalho de Eichert et al. (2007). Após a correção da linha

base, todas as bandas foram ajustadas como curvas gaussianas para todas as regiões de

análise utilizando o software OriginPro 2016.

5.5 ÁREA DE SUPERFÍCIE

A área de superfície média dos nanocristais de HA sem aquecimento foi

medida por adsorção de N2 usando um método Brunauer-Emmet-Teller (BET)

multiponto. A análise foi realizada em um aparelho analisador de área superficial

Quantachrome modelo Nova 1200e no Laboratório de Ciência e Tecnologia de

Materiais Cerâmicos (DCEM/UFS). Antes da análise, as amostras foram degasadas sob

vácuo a 200°C por 3 horas.

5.6 CARACTERIZAÇÃO MORFOLÓGICA

A microscopia eletrônica de transmissão (MET) foi utilizada para a avaliação

das mudanças na morfologia provocadas pela interação dos nanocristais de HA com o

meio aquoso e com os íons Ag+. As amostras foram analisadas no Centro Multiusuário

de Nanotecnologia (CMNano/UFS) em um microscópio Jeol modelo JEM-1400 plus,

operado a 120 kV. Para isso, as amostras foram dispersas em álcool etílico absoluto

(Neon, 99,8%) sob banho ultrassônico por 10 minutos. Em seguida, parte da suspensão

foi gotejada em uma grade de cobre revestida com carbono (abertura de malha de 38

m) para a observação no microscópio.

5.7 ANÁLISE ESTATÍSTICA DOS DADOS

Os resultados referentes à comparação entre os dois tipos de aquecimento foram

expressos como média ± desvio padrão da média obtida a partir dos softwares utilizados

27

Caracterização química e estrutural e

morfológica.

Aquecimento em forno micro-ondas - 800 W (100°C/15 minutos).

Aquecimento em banho de óleo sob refluxo (80°C/4 horas).

Filtração e lavagem (água destilada e etanol)

Secagem em estufa (120°C/24 horas).

Filtração e lavagem (água destilada e etanol)


Precipitação química dos cristais em banho de óleo sob refluxo (60°C/pH 10).

Envelhecimento dos cristais em banho de óleo sob

refluxo (60°C/24 horas).

para cada técnica. A avaliação da magnitude das diferenças entre as amostras foi

calculada utilizando um teste de comparações múltiplas. A significância estatística dos

dados foi calculada utilizando o software OriginPro 2016 através da análise de variância

ANOVA seguida do teste de Tukey. O nível de significância foi estabelecido de modo

que p < 0,05.

Em resumo, as operações executadas no Capítulo 5 podem ser visualizadas no

fluxograma da Figura 8.

Figura 8. Fluxograma da metodologia adotada na associação da prata com a

hidroxiapatita via troca iônica em meio aquoso. .

Imersão em solução aquosa contendo Ag+.

Imersão em água destilada.

Imersão em solução aquosa contendo Ag+.

Imersão em água destilada.


Peneiramento (abertura de malha de 180 m).

28

CAPÍTULO 6.

RESULTADOS E

DISCUSSÃO

29

6.1 REAÇÕES ENTRE OS ÍONS DE PRATA E OS NANOCRISTAIS DE

HIDROXIAPATITA

A partir dos resultados das análises de WDFRX (Figura 9), foi confirmada a

presença de prata nas amostras de HA aquecidas em solução aquosa contendo Ag+ em

ambas as condições de aquecimento. No entanto, a quantidade de prata foi

significativamente superior nas amostras aquecidas em banho de óleo. Na presença dos

íons Ag+, a razão Ca/P da HA foi reduzida de 1,67 para 0,85 no aquecimento em banho

de óleo. Essa transformação foi menos marcante nas amostras submetidas ao

aquecimento por micro-ondas, uma vez que a razão Ca/P medida foi de 1,56. A

diminuição da razão Ca/P indica a formação de uma HA deficiente em cálcio. Com isso,

supõe-se, inicialmente, que a interação dos íons Ag+ com os cristais nano-estruturados

de HA resulta na formação de uma fase HA deficiente em Ca2+.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Forno micro-ondas

***

***

Condições de aquecimento

Ca/P = 1.

92

Ca/P = 1.

75

Ca/P = 1.

56

Ca/P = 0.

85

Ca/P = 1.

67

Com

posi

ção

elem

enta

r (%

mol

)

Banho de óleo

H2OSem aquecimento

Ag Ca P

***

***

***

H2O + Ag+

H2O + Ag+H

2O

Figura 9. Composição elementar das amostras sem aquecimento e aquecidas em banho

de óleo e em forno micro-ondas após imersão em água destilada (H2O) e em solução

aquosa contendo íons Ag+ (H2O+Ag+). *Diferença significativa na quantidade de Ca e P

em relação a HA sem aquecimento. **Diferença significativa na quantidade de Ca e P

em relação às amostras aquecidas em água destilada.

30

Seria possível supor que a quantidade molar de prata contida nas amostras é

resultado da entrada efetiva da Ag+ nos sítios de Ca2+. Todavia, a quantidade molar de

prata medida para as amostras é superior à quantidade de cálcio. Isso implica que outras

interações, além da mera substituição de íons Ca2+ na rede, estariam acontecendo

concomitantemente.

O aumento da concentração elementar de prata é caracterizado pela depleção de

cálcio e fósforo na HA. Isso ocorre por um possível mecanismo de balanceamento de

cargas na HA provocado pela difusão dos íons Ag+ na estrutura da mesma. Essa

depleção ocorre de modo que a saída de dois íons Ca2+ geram quatro cargas negativas e

a saída de um grupo PO43- gera três cargas positivas na estrutura da HA. Então, a carga

negativa em excesso pode ser neutralizada pela entrada de um cátion monovalente

como, por exemplo, o íon Ag+ (Sobczak‐Kupiec et al., 2016). Os íons Ca2+ são

transferidos para a solução, após a interação dos nanocristais de HA com os íons Ag+ e

lixiviados durante a filtração enquanto os grupos PO43- formam Ag3PO4 e/ou HPO4

2-.

A adsorção física ou reação direta dos íons Ag+ com a superfície dos

nanocristais de HA pode ter resultado na formação de outros compostos. Metais de

transição, como a prata, em sua forma iônica em meio aquoso possuem elevada

afinidade com os íons PO43-. Assim, a interação dos íons Ag+ com os íons PO4

3- da

superfície da HA podem levar a formação de sais de fosfatos metálicos, como o Ag3PO4

(Chen et al., 2017). Além disso, pode ocorrer a formação de fosfatos ácidos na

superfície dos cristais em decorrência da interação com o meio aquoso. A partir das

diferenças nos resultados de WDFRX das amostras aquecidas em presença de Ag+ para

os dois procedimentos de aquecimento, observou-se a coexistência de dois efeitos que

influenciam a composição elementar da HA: o efeito dos íons Ag+ sobre os nanocristais

de HA e o efeito do aquecimento por micro-ondas sobre essa interação.

Estudos afirmam que quando a razão atômica de Ag/(Ag+Ca) é menor que

0,055, a estrutura da HA não sofre alterações significativas e nenhuma fase adicional é

criada, pois os íons Ag+ ocupam os sítios dos íons Ca2+ sem que haja saturação de íons

Ag+. Mas, razões acima desse valor são indícios da formação de Ag3PO4 e quanto maior

a razão, maior a quantidade de Ag3PO4 formada. Essa razão se mostrou válida para o

aquecimento após imersão em solução aquosa contendo Ag+ de cristais verdes de HA e,

também, de microesferas porosas de HA calcinadas (Badrour et al.,1998; Yang et al.,

2007). Nesse caso, as amostras aquecidas em banho de óleo após imersão em solução

31

aquosa contendo Ag+, além de apresentar uma maior quantidade de prata, possuem uma

razão Ag/(Ag+Ca) superior a razão das amostras aquecidas em forno micro-ondas,

cujos valores são 0,84 e 0,56, respectivamente.

As análises de difração de raios X possibilitaram a observação das alterações

cristalográficas das amostras antes e depois do aquecimento após imersão em água

destilada e em solução contendo íons Ag+ (Figuras 10-12). Em todos os difratogramas,

foram identificados os picos correspondentes aos planos (0 0 2), (2 1 1), (1 1 2) e (3 0 0)

característicos da fase HA, indicando que esta ainda encontra-se presente após o

aquecimento. Se, para os nanocristais aquecidos após imersão em água destilada apenas

a fase de HA foi identificada, nos cristais aquecidos após imersão em solução aquosa

contendo Ag+ ficou evidenciada a presença da fase fosfato de prata (Ag3PO4) cujos

picos de difração mais intensos correspondentes aos planos (0 1 2), (1 1 2) e (0 2 3)

foram identificados. Ainda foi possível observar a presença de Ag0 nas amostras a partir

dos picos correspondentes aos planos (1 1 1) e (0 0 2) dessa fase. Além disso, a

interação com íons Ag+ provocou uma redução significativa os picos correspondentes

aos planos (0 0 2) da fase HA.

10 20 30 40 50 60

Experimental Calculado Background

Difference plot

2 (°)

HA

Figura 10. Difratograma refinado pelo método de Rietveld dos nanocristais de HA sem

aquecimento conforme descrito no subitem 5.1, Capítulo 5. Parâmetros de refinamento:

GoF: 2,11; Rwp: 11,19 (Sem aquecimento).

32

10 20 30 40 50 60


Difference plot

H2O

2 (°)

HA

10 20 30 40 50 602 (°)


Difference plot

H2O + Ag+

Ag0

HA Ag

3PO

4

Figura 11. Difratogramas refinados pelo método de Rietveld das amostras aquecidas em

banho de óleo após imersão em água destilada (H2O) e após imersão em solução aquosa

contendo íons Ag+ (H2O+Ag+) conforme descrito no subitem 5.2.2, Capítulo 5.

Parâmetros de refinamento: GoF: 2,66 e Rwp 9,62 (H2O); GoF: 1,51 e Rwp 8,53

(H2O+Ag+).

33

10 20 30 40 50 60


Difference plot

2 (°)

H2O

HA

10 20 30 40 50 602 (°)


Difference plot

H2O + Ag+

Ag0

HA Ag

3PO

4

Figura 12. Difratograma refinado pelo método de Rietveld das amostras aquecidas em

forno micro-ondas após imersão em água destilada (H2O) e após imersão em solução

aquosa contendo íons Ag+ (H2O+Ag+) conforme descrito no subitem 5.1.2a, Capítulo 5.

Parâmetros de refinamento: GoF: 1,74 e Rwp 8,96 (H2O); GoF: 1,72 e Rwp 8,79

(H2O+Ag+).

34

O refinamento dos difratogramas pelo método de Rietveld possibilitou a

observação da quantidade de fases formadas em decorrência da interação dos

nanocristais de HA com os íons Ag+ quando aquecidos em meio aquoso (Figura 13). A

quantidade de fase Ag3PO4 superior para o banho de óleo observada nos refinamentos

ratificam o que foi afirmado anteriormente em relação a razão Ag/(Ag + Ca) calculada a

partir da análise elementar obtida por WDFRX. Essas duas fases foram observadas

independentemente do procedimento de aquecimento. Isso indica a ocorrência de uma

forte reação química quando os íons Ag+ interagem com a superfície dos nanocristais de

HA em meio aquoso.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

2,81

45,54

51,65

7,51

79,45

Forno micro-ondas

Qua

ntid

ade

de fa

ses

(% e

m p

eso)


Ag0

HA Ag

3PO

4

Banho de óleo

13,04

Figura 13. Composição de fase obtida a partir do refinamento pelo método Rietveld das

amostras aquecidas em banho de óleo e em forno micro-ondas após imersão em solução

aquosa contendo íons Ag+.

Sínteses por precipitação em meio aquoso e em baixas temperaturas produzem,

geralmente, apatitas não-estequiométricas e pouco cristalinas. Podendo apresentar

composições de superfície diferentes da composição do bulk devido à presença de íons

não-apatíticos adsorvidos em sua superfície (Gómez-Morales et al., 2013). A formação

de Ag3PO4 e Ag0 está relacionada a reações que ocorrem na interface sólido/líquido

entre os nanocristais e o meio aquoso. Levando em consideração a grande quantidade de

Ag3PO4 detectada nos nanocristais de HA, pode-se supor que além da formação por

35

dissolução/precipitação da HA, os íons Ag+ da solução podem estar reagindo

diretamente com os grupos PO43- na superfície.

Uma maior área de superfície promove maior adsorção de íons metálicos

(Sandrine et al., 2007). Existem dois grupos PO43- de superfície por célula unitária na

estrutura da HA. Assumindo que o conjunto de planos de superfície {1 0 0} corresponde

à área majoritária da superfície dos cristais de HA, a fração de grupos PO43- na

superfície é A/1200, onde A é a área da superfície (m2 g-1) (Elliot, 1994). A partir dos

resultados de BET da área de superfície média medida para os nanocristais de HA sem

aquecimento (54,5 ± 1,3 m2 g-1), pode-se afirmar que cerca de 4,5% dos grupos PO43-

estão na superfície. Portanto, a adsorção espontânea de íons Ag+ na superfície dos

nanocristais proporciona condições favoráveis à sua reação com esses íons PO43- da

superfície, produzindo Ag3PO4 (Chai et al., 2015).

Imagens de MET da HA sem aquecimento e aquecidas em banho de óleo após

imersão em água e em solução aquosa contendo Ag+ (Figura 14) mostram, em ambos os

casos, nanocristais que tendem a se aglomerar. As partículas de HA sem aquecimento

apresentam morfologia acicular e distribuição de tamanho de partícula aparentemente

uniforme. Após o aquecimento em água, poucas alterações foram observadas e não

houve mudanças significativas na morfologia ou no tamanho dos nanocristais. Dois

tipos de partículas eletrodensas na superfície dos nanocristais de HA, diretamente

associadas às fases ricas em prata foram observados: a) aglomerados esféricos pequenos

(<10 nm de diâmetro), em grande quantidade, e b) nanopartículas maiores (>10 nm de

diâmetro) ambas distribuídas ao longo dos nanocristais de HA. Estas morfologias foram

observadas nas amostras após o aquecimento em solução aquosa contendo Ag+. Como o

comportamento de formação de fases foi o mesmo para os nanocristais de HA em

contato com Ag+ independentemente do procedimento de aquecimento adotado,

presume-se que as modificações na morfologia também tenham seguido as mesmas

tendências, embora no aquecimento por micro-ondas a presença de Ag3PO4 ocorra em

menor quantidade. Alguns autores atribuíram esses aglomerados esféricos à

nanopartículas de Ag3PO4 (Chai et al., 2015; Gokcekaya et al., 2015; Hong et al., 2012;

Jia et al., 2015; Wang et al., 2012; Zhou et al., 2015). Embora os difratogramas,

refinados pelo método Rietveld, das amostras estudadas aquecidas em solução aquosa

contendo Ag+ indiquem a presença da fase Ag0, não foi possível distingui-la da fase

Ag3PO4 utilizando a MET.

36

Figura 14. Imagens de MET com escalas de 100 nm e 50 nm dos nanocristais de HA

sem aquecimento (a, b) e aquecidos em banho de óleo após imersão em água destilada

(c, d) e em solução aquosa contendo íons Ag+ (e, f).

f e

d c

b a

37

A interação dos íons de prata com a superfície altamente reativa dos nanocristais

de HA em meio aquoso resultaram na formação de Ag3PO4. Quando exposto a luz

visível, o Ag3PO4 é capaz de absorver um fóton (2,4 eV) e promover a formação de um

par elétron-buraco (Liu et al., 2012). Esse elétron livre na banda de condução pode

migrar facilmente para a superfície onde pode reagir com íons Ag+ adsorvidos,

reduzindo-os sob a forma de Ag0. A partir disso, foi construído um esquema das reações

que ocorrem na superfície dos nanocristais de HA para a formação de Ag3PO4 e redução

de Ag+ para Ag0 (Figura 15).

Figura 15. Esquema das reações que ocorrem na superfície dos nanocristais de HA

aquecidas após imersão em água destilada (H2O) e após imersão em solução aquosa

contendo Ag+ (H2O+Ag+) para a formação de Ag3PO4 e redução de Ag+ para Ag0. As

imagens de MET mostram o resultado do aquecimento em banho de óleo,

principalmente, na formação de aglomerados Ag3PO4 sobre os nanocristais após o

contato com íons Ag+.

38

Zhou et al. (2015) demonstraram, por microscopia eletrônica de varredura e

espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) que a fase Ag0 é precipitada sobre as

nanopartículas de Ag3PO4 durante o processo de fotorredução. Esta precipitação ocorre

sob a forma de pequenos clusters de Ag0. Provavelmente, esse arranjo estrutural foi o

principal fator que prejudicou a distinção entre as duas fases usando MET. Sob outra

perspectiva, também foi relatado que os íons Ag+ podem ser reduzidos diretamente na

superfície dos cristais de HA via transferência de elétrons dos grupos OH- (Ciobanu et

al., 2014; García-Barrasa et al., 2011). Nesse caso, os grupos OH- situados na superfície

dos cristais podem atuar tanto como um doador de elétrons quanto como um centro de

ligação onde ocorrerá a nucleação e crescimento dos clusters de Ag0.

6.2 EFEITO ISOLADO DO AQUECIMENTO POR MICRO-ONDAS

6.2.1 Efeitos nas reações da superfície da hidroxiapatita

A quantidade de Ag3PO4 observada nos nanocristais de HA aquecidos em banho

de óleo após imersão em solução aquosa contendo Ag+ foi muito superior à observada

no aquecimento por micro-ondas. Consequentemente, a quantidade de Ag0 foi maior

nos nanocristais aquecidos em banho de óleo. Isso poderia indicar que esse

procedimento de aquecimento proporcionou uma maior reação dos íons Ag+ com os

nanocristais de HA gerando Ag3PO4 ou Ag0. Todavia, como os tempos de exposição da

HA aos íons Ag+ foram diferentes para os dois procedimentos de aquecimento, algumas

considerações são necessárias antes de qualquer afirmação. Como discutido

anteriormente (subitem 6.1, Capítulo 6), a formação de Ag3PO4 e Ag0 está relacionada

às reações que ocorrem na interface sólido/líquido quando em presença de íons Ag+.

Nesse caso, assume-se hipoteticamente que a quantidade de íons Ag+ na solução pode

ser considerada infinita em relação aos sítios reativos na superfície dos nanocristais, os

quais permanecem saturados ao longo do tempo de reação, fazendo a velocidade de

reação não depender da concentração. Consequentemente, é possível modelar este

sistema como uma reação de ordem zero em que a taxa de reação associada à formação

dos produtos [P] (Ag3PO4 e Ag0) é constante, ou seja, (d[P]/dt) = k. Assim, foi realizada

uma funcionalização em função do tempo para que a taxa de reação para cada produto

fosse calculada através da razão entre a quantidade de fase estimada pelo refinamento

Rietveld (Figura 13) e o tempo de imersão (% em peso h-1) (Figura 16). Os resultados

39

demonstraram que a quantidade de fases presentes nos nanocristais de HA após

aquecimento em solução aquosa contendo íons Ag+ foi extremamente afetada pelo

aquecimento por micro-ondas quando comparada ao aquecimento em banho de óleo.

Evidentemente, o aquecimento por micro-ondas potencializa as reações

superficiais entre os íons Ag+ e os nanocristais de HA, pois o mesmo aumentou a

formação de Ag3PO4 em cerca de 9,2 vezes. Além disso, a redução dos íons Ag+ para

Ag0 foi aproximadamente 6,0 vezes mais rápida sob o aquecimento em forno micro-

ondas. A taxa de formação de Ag3PO4 em forno micro-ondas é tão elevada que em 0,55

h (~ 33 min) toda a fase HA seria consumida ao passo que isso demoraria 5,04 h (~ 302

min) para acontecer no aquecimento em banho de óleo.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

11,24

182,16

1,88

Ag0

Ag3PO

4

Tax

a de

form

ação

de

fase

(% e

m p

eso

h-1)

Forno micro-ondasCondições de aquecimento

Banho de óleo

19,86

Figura 16. Taxa de formação de fase para Ag3PO4 e Ag0 em função do procedimento de

aquecimento empregado.

Para que ocorra a difusão de íons da superfície ao interior dos cristais de HA,

dois parâmetros são decisivos: tempo e temperatura. Quanto maior o tempo, maior a

penetração dos íons para o interior do cristal e quanto maior a temperatura maior o

movimento cinético das espécies em difusão (Williams et al., 2015). Como os íons de

metais de transição estão associados a moléculas de água formando uma camada ao

redor dos mesmos, as ligações de coordenação entre água e metal primeiro devem ser

desfeitas antes que a troca possa ser iniciada na superfície dos cristais de HA (Nzihou e

Sharrock, 2010). O aquecimento por micro-ondas aumentou a taxa de formação de

Ag3PO4 e o fez em tempo inferior ao do aquecimento em banho de óleo.

40

6.2.2 Efeitos nos grupamentos químicos presentes na hidroxiapatita

A partir das análises de FTIR mostradas na Figura 17, foi possível identificar a

banda de absorção referente ao modo de estiramento das moléculas de água (Figura

17a) de 3690 a 2500 cm-1 e em 3578 cm-1 nota-se a presença de vsOH- que é sobreposta

pela banda de água. A pequena banda de absorção (Figura 17b) observada na região de

2388 a 2270 cm-1 é atribuída à absorção do CO2 atmosférico ocorrida durante a análise.

Na região entre 1708 e 1575 cm-1 (Figura 17c) observou-se a banda de absorção do

modo de dobramento das moléculas de água. Juntamente com a banda correspondente

ao estiramento N-O dos grupos NO3- (1384 cm-1), foram observadas as bandas de

absorção de v3CO32- na região de 1560 a 1320 cm-1 (Figura 17d) (Kumar et al., 2012).

H2O+Ag+ - Banho de óleo

H2O+Ag+ - Micro-ondas

H2O - Micro-ondas

H2O - Banho de óleo

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

(a) (b) (c) (d) (e) (f) (g)

Sem aquecimento

Tra

nsm

itânc

ia (

u. a

.)

Número de onda (cm-1)

Figura 17. Espectros de FTIR dos nanocristais de HA sem aquecimento e aquecidos em

banho de óleo e em forno micro-ondas após imersão em água destilada (H2O) e em

solução aquosa contendo íons Ag+ (H2O+Ag+). As bandas de absorção identificadas em

todas as amostras foram: (a) v3H2O, vsOH- e v1H2O; (b) CO2; (c) v2H2O; (d) v3CO32-; (e)

v3PO43- e v1 PO4

3-; (f) v2CO32-; (g) vLOH- e v4PO4

3-.

41

A região correspondente ao estiramento v1PO43- aparece como um ombro em

aproximadamente 961 cm-1 na HA sem aquecimento. Essa banda entre 1200 cm-1 e 900

cm-1 (Figura 17e) sofre alargamento quando aquecida, independentemente do

procedimento de aquecimento, em solução aquosa contendo íons Ag+ e quando

aquecida em forno micro-ondas após imersão em água destilada (Figura 18). Além

disso, o aquecimento após imersão em solução aquosa contendo Ag+ promoveu um

deslocamento da região v3PO43- da HA para regiões de menores frequências (redshift).

Esse redshift indica que os grupos v3PO43- estão rodeados por íons mais pesados

(Moustafa e El-Egili, 1998) que o Ca2+, nesse caso, os íons Ag+.

Na região compreendida no intervalo de 650 a 500 cm-1 (Figura 17g) observou-

se a presença das bandas v4PO43- em torno de 565, 575 e 602 cm-1 e um ombro

correspondente à banda vLOH- em torno de 632 cm-1 (Figura 19). Nessa região, outras

bandas são claramente detectadas nos espectros de absorção no infravermelho dos

nanocristais para todas as condições de aquecimento. Em números de ondas menores

são observadas duas bandas de absorção referentes aos grupos HPO42- apatítico e não-

apatítico em torno de 551 e 535 cm-1, respectivamente. Já em números de onda maiores,

em torno de 617 cm-1, foram observadas bandas de absorção relacionadas a vibrações

correspondentes aos grupos PO43- não-apatíticos (Eichert et al., 2007). Adicionalmente,

observou-se uma região com bandas de absorção associadas ao dobramento de O-C-O

do modo vibracional ν2CO32- (Figura 17f) para todas as condições de aquecimento

estudadas. Em números de onda próximos a 871 cm-1 e 865 cm-1, foi notável a presença

das bandas de absorção referentes ao v2CO32- do tipo B e ao CO3

2- não-apatítico nos

nanocristais, independentemente do procedimento de aquecimento e da presença de íons

Ag+. No espectro de absorção no infravermelho dos nanocristais aquecidos em forno

micro-ondas após imersão em água destilada, em aproximadamente 880 cm-1, foi

observada uma banda de absorção referente à v2CO32- do tipo A (Figura 20) (Eichert et

al., 2007; Fleet et al., 2009; Madupalli et al., 2017).

A razão entre as áreas das bandas foi utilizada para acompanhar a evolução dos

grupamentos químicos na estrutura da HA (Figura 21). Tanto para os nanocristais

aquecidos em banho de óleo após imersão em água destilada quanto para as amostras

aquecidas em solução aquosa contendo íons Ag+, a substituição de CO32- do tipo B

prevaleceu, mantendo a área sob a banda referente ao tipo A quase inexistente, como

pôde ser observado nas deconvoluções.

42

Sem

aqu

ecim

ento

1200 1150 1100 1050 1000 950 900


1/T

Experimental v

1 PO

43- [HA]

v3 PO

43- [HA]

HPO4

2- apatítico

Calculado

Banho de óleo Forno micro-ondas

H2O

1200 1150 1100 1050 1000 950 900Número de onda (cm-1)

1/T

1200 1150 1100 1050 1000 950 900Número de onda (cm-1)

1/T

H2O

+ A

g+

1200 1150 1100 1050 1000 950 900

1/T


1200 1150 1100 1050 1000 950 900


1/T

Figura 18. Deconvoluções dos espectros FTIR das bandas de absorção nas regiões de

estiramentos v1PO43- e v3PO4

3- para as amostras sem aquecimento e aquecidas em banho


aquosa contendo íons Ag+ (H2O+Ag+). Os coeficientes de determinação R2 em relação

aos valores observados encontram-se nas respectivas deconvoluções.

R2= 0,99844 R2= 0,99987

R2= 0,99973 R2= 0,99986

R2= 0,99960

43

Sem

aqu

ecim

ento

640 620 600 580 560 540 520 500Número de onda (cm-1)

1/T

640 620 600 580 560 540 520 500

1/T

Wavenumber (cm-1)

Experimental HPO

42- não-apatítico

HPO4

2- apatítico

v4 PO

43- [HA]

PO43- não-apatítico

vL OH- [HA]

Calculado


H2O

640 620 600 580 560 540 520 500Número de onda (cm-1)

1/T

640 620 600 580 560 540 520 500


1/T

H2O

+ A

g+

640 620 600 580 560 540 520 500Número de onda (cm-1)

1/T

640 620 600 580 560 540 520 500

1/T



dobramentos v4PO43- e vLOH- para as amostras sem aquecimento e aquecidas em banho


aquosa contendo íons Ag+ (H2O+Ag+). Os coeficientes de determinação R2 em relação

aos valores observados encontram-se nas respectivas deconvoluções.

R2= 0,99746 R2= 0,99892

R2= 0,99781 R2= 0,99742

R2= 0,99911

44


estiramentos v2CO32- nas amostras sem aquecimento e aquecidas em banho de óleo e em

forno micro-ondas após imersão em água destilada (H2O) e em solução aquosa contendo

íons Ag+ (H2O+Ag+). Os coeficientes de determinação R2 em relação aos valores

observados encontram-se nas respectivas deconvoluções.

Sem

aqu

ecim

ento

885 880 875 870 865 860 855

1/T


885 880 875 870 865 860 855

1/T


Experimental CO

32- não-apatítico

v2 CO

32- tipo B

v2 CO

32- tipo A

Calculado


H2O

885 880 875 870 865 860 855


1/T

885 880 875 870 865 860 855


1/T

H2O

+ A

g+

880 875 870 865 860 855


1/T

880 875 870 865 860 855

1/T


R2= 0,99116

R2= 0,9740 R2= 0,9934

R2= 0,99484 R2= 0,99710

45

0

2

4

6

8

10

12

14

H2O + Ag+H

2OH

2O + Ag+H

2O

H2O + Ag+H

2O H

2O + Ag+

*

*

*

Raz

ão v

LO

H -

/v4P

O43

-

(%)


0

5

10

15

20

25

30

*

*

*

Sem aquecimento H2O

Sem aquecimento

Raz

ão H

PO

42- ap

atíti

co/ v

4PO

43 -

(%)

*

0

10

20

30

40

50

H2O + Ag+H

2O H

2O + Ag+ H

2O


Raz

ão v

2CO

32-

tipo

A/ t

ipo

B (

%)

Raz

ão

v 2CO

32- tip

o B

/v4P

O43

- (%

)

Sem aquecimento H2O H

2O + Ag+ H

2O H

2O + Ag+

0

1

2

*

Forno micro-ondasBanho de óleo

Sem aquecimento

*

Figura 21. Razões das áreas sob as curvas obtidas a partir das deconvoluções dos

espectros de FTIR calculadas para vLOH-/v4PO43-, HPO4

2- apatítico/v4PO43-, v2CO3

2- tipo

A/v2CO32- tipo B e v2CO3

2- tipo B/v4PO43- para as amostras sem aquecimento e

aquecidas em banho de óleo e em forno micro-ondas após imersão em água destilada

(H2O) e em solução aquosa contendo íons Ag+ (H2O+Ag+). * Diferença significativa em

relação a HA sem aquecimento.

46

Todas as mudanças observadas a partir das razões apresentadas na Figura 21

podem ser mais facilmente visualizadas na Tabela 1. A razão das áreas sob as bandas de

absorção correspondentes as regiões vLOH- e v4PO43- calculada para as amostras antes e

depois da imersão seguida do aquecimento mostra uma redução do ombro referente a

banda vLOH-. A redução mais notável foi nas amostras aquecidas em solução aquosa

contendo íons Ag+, principalmente no aquecimento em banho de óleo cuja razão foi

0,03 enquanto que a mesma razão calculada para a HA sem aquecimento foi 0,13. A

diminuição no modo vibracional vLOH- em decorrência da perda de íons OH- é

usualmente observada em apatitas deficientes em cálcio, que contêm maior quantidade

de íons HPO42- em sua estrutura (Stanislavov et al., 2018). Outro indício que a interação

com os íons Ag+ em banho de óleo apresentou diminuição mais evidente do

ordenamento dos cristais é a razão das áreas sob as bandas de HPO42- apatítico/v4PO4

3-

mostrada na Figura 21.

Tabela 1. Variações ocorridas nas bandas de absorção calculadas a partir das razões das

áreas sob as bandas obtidas nas deconvoluções dos espectros de FTIR para as regiões

onde se encontram vLOH-, HPO42- e v2CO3

2- tipo B em função de v4PO43-.

Condições de imersão impostas aos

nanocristais de HA



Água destilada - Diminuição de HPO4

2; - Diminuição de CO3

2- tipo B.

- Diminuição de vLOH-; - Diminuição de HPO4

2; - Aumento de CO3

2- tipo A.

Solução aquosa contendo íons Ag+

- Diminuição de vLOH-; - Aumento de HPO4

2-; - Aumento de CO3

2- tipo B.

- Diminuição de vLOH-; - Aumento de HPO4

2-;

A presença de uma banda evidente em torno de 860 cm-1 é atribuída a CO32- não-

apatíticos adsorvidos a superfície (Eichert et al., 2007; Rey et al., 2007). Outros estudos

(Fleet et al., 2009; Madupalli et al., 2017) atribuem essa mesma banda ao CO32- tipo A

ou tipo B com orientações diferentes no interior do cristal denominados A2 e B2,

respectivamente. O tipo de substituição de CO32- vai depender da presença de outros

substituintes, bem como das condições de aquecimento. Madupalli et al. (2017)

47

identificaram essa banda mesmo após a calcinação dos cristais de apatita carbonatadas a

950°C. Os autores afirmam que não se espera que CO32- não-apatíticos permaneçam na

superfície dos cristais após exposição a essa temperatura. A diminuição de CO32- e

HPO42- (Equação 4) foi observada para as amostras aquecidas em água destilada para os

dois procedimentos de aquecimento. Isso ocorre porque os grupos CO32- podem

diminuir, juntamente com os grupos HPO42-, a partir da desidratação estrutural das

apatitas (El Feki et al., 1994; Elliot, 1994).

2HPO42-+CO3

2-→ PO43-+CO2+H2O Equação (4)

Como mencionado na metodologia do presente trabalho (subitem 5.1, Capítulo

5), nanocristais de HA estudados no presente trabalho foram sintetizados pelo método

de precipitação química em meio aquoso a 60°C com um pH em torno de 10 e sem

controle atmosférico. Sabe-se que as mudanças de pH podem levar à protonação de

grupos PO43-, gerando ânions ortofosfatos ácidos, como HPO4

2-. O equilíbrio ácido/base

entre íons ortofosfato em função do pH a 25°C é demonstrado na Equação 5 (Boudia et

al., 2018; Dorozhkin, 2009; Wang e Nancollas, 2008).

34

107,124

102,642

105,743

1283

POHPOPOHPOH IIIIII KKK Equação (5)

De acordo com este equilíbrio, supõe-se que as sínteses dos nanocristais

estudados foram realizadas a uma temperatura inferior à comumente empregada, uma

liberação ligeiramente HPO42- já era esperada (Elliot, 1994). Assim, é possível afirmar

que os íons HPO42- foram predominantes durante a síntese da HA nano-estruturada, o

que facilita sua inserção na estrutura, mesmo em pouca quantidade.

A razão νLOH-/ν4PO43- foi reduzida quando os cristais são aquecidos em solução

aquosa contendo íons Ag+, nesse caso, o procedimento de aquecimento não teve efeito

significativo. Já para os nanocristais de HA aquecidos após imersão em água destilada,

o aquecimento em forno micro-ondas diminuiu o valor da razão νLOH-/ν4PO43-, isso

sugere a criação de vacâncias de OH- ou sua substituição por outros grupos. De fato, a

razão ν2CO32- tipo A/ν2CO3

2- tipo B aumentou nos referidos cristais, indicando a

ocupação parcial dos sítios OH- por grupos CO32-. Presume-se, com isso, que esse foi

um efeito isolado do aquecimento por micro-ondas, uma vez que o mesmo

comportamento não foi observado para os nanocristais de HA aquecidos em banho de

48

óleo. A razão ν2CO32- tipo B/ν4PO4

3- dos nanocristais aquecidos após imersão em

solução aquosa contendo íons Ag+ manteve-se relativamente igual para os dois

procedimentos de aquecimento, isso sugere que os grupos CO32- foram preservados nos

sítios de PO43- cuja ocupação não sofreu variações significativas. Nas amostras

aquecidas após imersão em água destilada, o efeito do aquecimento por micro-ondas foi

observado a partir de uma maior substituição de OH- por CO32- (tipo A).

Estudos demonstram que condições alcalinas favorecem a dissolução de CO2 do

ar que gera íons CO32- na solução, o qual pode ser inserido na estrutura HA durante a

nucleação e o crescimento dos nanocristais (Moreira et al., 2016). A inserção de íons

HPO42- e CO3

2- na rede HA leva a formação de defeitos pontuais na estrutura, os quais

podem ser representados a partir da notação de Kröger-Vink conforme as Equações 6-8

(De Leeuw et al., 2007; De Maeyer et al.,1994).

)(34

''4)(

244 44

)()()()(aqOHCaPOaq

x

OH

x

PO

x

Ca POVVHPOHPOOHPOCa Equação (6)

)()(34

'33)(

234 )()()()(

44aqaqOHPOaq

x

OH

x

PO OHPOCOCOCOOHPO Equação (7)

)('

3)(23 22)()(2 aqOHiaq

x

OH OHVCOCOOH Equação (8)

Nas equações 6-8, Ca 𝐶𝑎𝑥 representa um cátion de cálcio ocupando um sítio de

cálcio com carga efetiva neutra, 4𝑥 representa um grupo PO43- ocupando um sítio

de PO43- com carga efetiva neutra e OH 𝐻𝑥 representa um grupo OH- ocupando um

sítio de OH- com carga efetiva neutra. O símbolo 𝐻 4• refere-se a um grupo

HPO42- ocupando um sítio de PO4

3- com carga efetiva positiva (+1), 𝐶 4• refere-se

a um grupo CO32- ocupando um sítio de PO4

3- com carga efetiva positiva (+1) e 𝐶 𝐻′ refere-se a um grupo CO32- ocupando um sítio de OH- com carga efetiva

negativa (-1). Já 𝑉 𝐻• representa a formação de uma vacância de um grupo OH- com

carga efetiva positiva (+1) e 𝑉 𝐶𝑎′′ representa a formação de uma vacância de um cátion

de cálcio com carga efetiva negativa (-2). Por sua vez, 𝐶 𝐻′ representa um grupo

CO32- em um sítio intersticial entre grupos OH- com carga efetiva negativa (-1).

Considerando as modificações causadas pelo aquecimento após imersão em água

destilada na estrutura da HA, a fórmula geral para as apatitas contendo HPO42- em que

os íons CO32- ocupam, simultaneamente, os sítios do OH- e PO4

3- pode ser escrita

conforme a Equação 9 (Ortali et al., 2017).

49

zyxOHzzyxyxyxyxCayx VCOOHCOHPOPOVCa 232)(234)(64)(10 )()()]()()()[()( Equação (9)

A razão ν2CO3

2- tipo A/ν2CO32- tipo B assumiu valores negligenciáveis para

todas as condições (z ≈ 0), exceto para os nanocristais de HA aquecidos após imersão

em água destilada. Isso significa que a inserção de grupos CO32- nos sítios OH- (Eq. 8)

pode ser um efeito atribuído ao aquecimento por micro-ondas. Para o aquecimento em

banho de óleo, as proporções HPO42- apatítico/ν4PO4

3- e ν2CO32- tipo B/ν4PO4

3- foram

diminuídas, o que significa uma diminuição em x e y na fórmula geral (Equação 9). Isso

fez com que o valor νLOH-/ν4PO43- permanecesse quase inalterado e reduzisse o

número de vacâncias de OH- e Ca2+ na estrutura.

6.2.3 Efeitos na estrutura cristalina da hidroxiapatita

A partir do refinamento Rietveld, foi possível a determinação dos parâmetros de

rede, volume de célula unitária (Figura 22), tamanho de cristalito e razão de aspecto dos

cristais de HA sem aquecimento e após os ensaios de troca iônica. Conforme discutido

anteriormente (subitem 6.2.2, Capítulo 6), a perda de grupos HPO42- observada para os

nanocristais aquecidos em banho de óleo após imersão em água destilada promove uma

diminuição no parâmetro de rede do eixo a. No entanto, não foram observadas

alterações significativas em relação à HA sem aquecimento. Na verdade, uma redução

simultânea de HPO42- e CO3

2- tipo B foi observada nos nanocristais aquecidos em banho

de óleo após imersão em água destilada. À substituição de PO43- por CO3

2- é atribuída a

diminuição do eixo a na célula unitária da HA (Comodi e Liu, 2000; Stanislavov et al.,

2018). Assim, pode-se supor que a associação desses dois eventos anulou qualquer

efeito nos parâmetros de rede da fase HA. Em contrapartida, o aquecimento por micro-

ondas induziu um aumento nos parâmetros da rede e no volume da célula unitária no

aquecimento após imersão em água destilada (Madupalli et al., 2017). Nesse caso, a

diminuição que deveria ser promovida pela perda de HPO42-, provavelmente, é

sobreposta pelo aumento induzido em decorrência da inserção dos grupos CO32- nos

sítios de OH- (tipo A) (Ortali et al., 2017). A partir da comparação desse aumento no

volume da célula unitária nos cristais aquecidos após imersão água destilada com a

diminuição no volume da célula unitária observada para os cristais aquecidos em

50

solução aquosa contendo íons Ag+, pode-se atribuir esse efeito à interação com os íons

Ag+.

9,39

9,40

9,41

9,42

6,87

6,88

6,89

6,89

Sem aquecimento

Sem aquecimento

Forno micro-ondasBanho de óleo

H2O + Ag+

H2OSem aquecimento

Vol

ume

da c

élul

a

unitá

ria

(Å3 )

Eix

o c (

Å)

Eix

o a (

Å)


H2O + Ag+

H2O

H2O + Ag+H

2O H

2O + Ag+H

2O

H2O + Ag+

H2O H

2O + Ag+H

2O

**

**

*

525,0

526,5

528,0

529,5

531,0

* *

*

Figura 22. Parâmetros de rede e volume da célula unitária, ambos obtidos pelo

refinamento Rietveld da fase HA para os cristais sem aquecimento e aquecidos em

banho de óleo e em forno micro-ondas após imersão em água destilada (H2O) e em

solução aquosa contendo íons Ag+ (H2O+Ag+). * Diferença significativa em relação aos

nanocristais de HA sem aquecimento.

Em baixas temperaturas, a substituição de CO3

2- do tipo A é um processo pouco

favorável, pois os grupos CO32- são muito grandes em relação ao canal OH- (Da Silva et

al., 2015). Desse modo, o aquecimento por micro-ondas aparenta fornecer energia

suficiente para tornar possível esta substituição. Assumindo que esse processo é

conduzido pela difusão iônica nos nanocristais de HA, a variação do volume da célula

unitária foi calculada em função do tempo de imersão (Figura 23), conforme discutido

anteriormente para a taxa de formação de fases (subitem 6.2.1, Capítulo 6). Os

resultados confirmaram que o aquecimento por micro-ondas, de modo isolado, foi capaz

de alterar a estrutura cristalina da HA em uma taxa maior do que a promovida pelo

aquecimento em banho de óleo, independentemente da presença de íons Ag+.

51

0,00

0,05

1

2

3

4

5

6

2,11

4,90

0,73

H2O + Ag+H

2O

Forno micro-ondas

Var

iaçã

o do

vol

ume

da c

élul

a un

itári

a (

Å3 h

-1)


Banho de óleo

H2O H

2O + Ag+

0,02

Figura 23. Taxa de variação no volume da célula unitária da fase HA das amostras

aquecidas em banho isotérmico e em forno micro-ondas após imersão em água destilada

(H2O) e em solução aquosa contendo íons Ag+ (H2O+Ag+).

A presença de CO32- do tipo A nos nanocristais aquecidos em forno micro-ondas

após imersão em água destilada parece ter influenciado as modificações nos parâmetros

de rede, ao contrário dos cristais submetidos às mesmas condições e aquecidos em

banho de óleo que não sofreu modificações significativas em relação aos nanocristais de

HA sem aquecimento. Embora as micro-ondas não sejam absorvidas pela fase sólida de

HA na frequência e na temperatura empregadas no presente trabalho, elas podem afetar

diretamente as camadas de solvatação da água ao redor dos íons e das nanopartículas. A

partir da absorção das micro-ondas, as moléculas de água nessas camadas de solvatação

são aquecidas por perda de dielétrico, promovendo uma desordem local sustentada por

sua agitação térmica (Hassan et al., 2016). Isso torna os íons mais disponíveis para

interagir nos processos de adsorção em interfaces sólido/líquido. Portanto, a

combinação entre a presença de vacâncias de OH- e o aquecimento por micro-ondas nas

camadas de solvatação dos grupos CO32- poderia efetivamente diminuir a barreira de

energia para promover uma substituição do tipo A, como foi observado nos espectros de

absorção no infravermelho dos nanocristais aquecidos em água destilada.

52

O tamanho do cristalito, determinados pela fórmula de Scherrer (subitem 5.4,

Capítulo 5), sofreu poucas alterações para todas as condições de aquecimento (Figura

24), exceto para os nanocristais de HA aquecidos em forno micro-ondas após imersão

em água destilada. É sabido que o tamanho do cristalito da HA é significativamente

reduzido com a incorporação do grupo CO32- em sua estrutura (Kolmas et al., 2017) e

essa foi a única amostra que exibiu a substituição de CO32- do tipo A, o que confirmou

esse comportamento a partir desses indícios de incorporação de CO32-.

0

5

10

15

20

25

Tam

anho

do

cris

talit

o no

pla

no (0

0 2

) (nm

)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Sem aquecimento



Raz

ão d

e as

pect

o do

scr

ista

is [I

(0 0

2)/I (3

0 0

)]

H2O + Ag+H

2OH

2O + Ag+H

2OSem aquecimento

H2O H

2O + Ag+ H

2O H

2O + Ag+

Figura 24. Tamanho do cristalito no plano (0 0 2) e razão de aspecto dos cristais obtidos

a partir dos dados do refinamento Rietveld da fase HA antes e depois do aquecimento

após imersão dos nanocristais de HA em água destilada (H2O) e em solução aquosa

contendo íons Ag+ (H2O+Ag+).

Além disso, o aquecimento por micro-ondas induziu uma diminuição na razão

de aspecto de cristal (Figura 24). Razões de aspecto cujo valor é superior a 0,67

denotam elongação dos cristais na direção c [0 0 1] e tendem a exibir formato

característico de agulhas. A partir dessa observação, infere-se que o aquecimento por

micro-ondas aumentou a esfericidade dos cristais em comparação ao aquecimento em

banho de óleo para as amostras imersas em água destilada.

53

6.2.4 Efeitos na dopagem de íons de prata na hidroxiapatita

Nas amostras imersas em solução aquosa contendo íons Ag+, principalmente nas

aquecidas em banho de óleo, nota-se que a grande quantidade de fase de Ag3PO4

(79,45% em peso) induziu uma mudança das bandas de absorção ν3PO43- para regiões

de frequências mais baixas (redshift), indicando que esses grupos estão circundados por

íons mais pesados que o Ca2+, os íons Ag+, como foi mencionado anteriormente

(subitem 6.2.2, Capítulo 6). Esse comportamento não pode ser associado à dopagem da

HA com Ag+, uma vez que essas bandas de absorção podem ser provenientes da fase

Ag3PO4 precipitada na superfície dos nanocristais de HA. Já na região próxima ao modo

v4PO43-, o ombro em 633 cm-1 referente às bandas de absorção de νLOH- da fase HA não

foi muito afetado pelo aquecimento após imersão em água destilada. No entanto, o

mesmo diminuiu significativamente quando os cristais foram aquecidos após imersão

em solução aquosa contendo íons Ag+, como pode ser observado nos valores das

respectivas razões na Figura 21 (subitem 6.2.2, Capítulo 6). Esse comportamento foi

verificado em ambos os tipos de aquecimento para a imersão em solução aquosa

contendo íons Ag+.

Como já mencionado (subitem 3.1, Capítulo 3), a estrutura cristalina de HA tem

dois sítios distintos de Ca2+: Ca I e Ca II. A ocupação dos sítios Ca II para íons Ag+ é

mais favorável do que a ocupação dos sítios Ca I (Fakharzadeh et al., 2017). Os sítios

Ca II são responsáveis por formar os canais hexagonais de grupos OH- na estrutura HA.

Esta conformação geométrica reduz as microtensões geradas pela substituição dos íons

Ca2+ (0,99 Å) por um cátion maior, como íons Ag+ (1,28 Å). Na dopagem da HA por

Ag+, dois processos podem atuar em conjunto ou separadamente para reduzir os

desequilíbrios de cargas causados pela substituição dos íons Ca2+ por Ag+: a criação de

vacâncias de OH- (Li et al., 2008; Santos et al., 2015) e a inserção de ânions bivalentes

na estrutura (Li et al., 2008; Yao et al., 2009). Assim, esses mecanismos poderiam ser

representados pela fórmula química demonstrada na Equação 10.

2/2/23464)(10 )()]()()()[()( yOHywvxyCaxyx VOHCOHPOPOVAgCa Equação (10)

sendo x = v + w e 0 ≤ y ≤ 2.

De fato, de acordo com as razões mostradas na Figura 21, enquanto os íons Ag+

induziram a diminuição da razão νLOH-/v4PO43- e consequente aumento em y na

54

Equação 10, eles também induziram o aumentando as razões HPO42- apatítico/ν4PO4

3-

(aumentando v, Equação 10) e ν2CO32- tipo B/ν4PO4

3- (aumentando w, Equação 10).

Essas mudanças observadas corroboram com as mudanças ocorridas nos parâmetros da

rede (Figura 22, subitem 6.2.3, Capítulo 6). É possível observar que a inserção de Ag+

associada aos íons HPO42- apatíticos potencializou o aumento do volume da célula

unitária. Considerando coerente o cálculo de variação de volume discutido previamente

(subitem 6.2.3, Capítulo 6) em função do tempo de imersão, espera-se que as micro-

ondas possam promover significativamente o processo de dopagem.

A entrada de Ag+ seria possível, pois mesmo tendo tamanho e valências

diferentes, os íons Ag+ e Ca2+ possuem o mesmo número de coordenação e, apesar de

possuir menor valência, o raio iônico do Ag+ (1,28 Å) é maior que o do Ca2+ (0,99 Å)

(Santos et al., 2015). Teoricamente, a substituição isomórfica dos íons Ca2+ por íons

Ag+ deveria levar a um aumento dos parâmetros de rede e do volume da célula unitária.

No entanto, a diferença nas valências acaba levando a formação de vacâncias na

estrutura da HA de forma a compensar a diferença de cargas (Šupová, 2015). Essas

vacâncias são relatadas na literatura como causadoras da diminuição dos parâmetros de

rede e, consequentemente, do volume da célula unitária (Kannan et al., 2008). Portanto,

para justificar a entrada dos íons Ag+ na rede da HA com um aumento do volume da

célula unitária, as vacâncias deveriam ser suprimidas ou equilibradas com a entrada

simultânea de outros íons, tais como o CO32-. Uma vez que, no aquecimento em banho

de óleo, o sistema é aberto (ao contrário do aquecimento por micro-ondas que é

conduzido em reator fechado), pode-se supor que a entrada concomitante do CO32-

tenha anulado a redução causada pela entrada dos íons Ag+.

Como foi observado na Figura 24 (subitem 6.2.3, Capítulo 6), o tamanho médio

dos cristais não muda dramaticamente com a interação com os íons Ag+, tampouco com

o aumento da concentração desses íons (Kolmas et al., 2017). Ao mesmo tempo, a

presença de Ag+ provocou uma diminuição da razão de aspecto dos cristais em ambos

os aquecimentos. Evidenciando, portanto, uma maior influência da incorporação de Ag+

na modificação da morfologia dos nanocristais de HA independentemente do tipo de

aquecimento. Além disso, a substituição simultânea de Ag+ e CO32- em sua estrutura

aumentou a esfericidade dos nanocristais de HA. Provavelmente, a nucleação e o

crescimento das fases Ag3PO4 e Ag0 na superfície dos nanocristais de HA contribuíram

para bloquear o alongamento do cristal ao longo da direção [0 0 1].

55

De um modo geral, o aquecimento por banho de óleo parece não propiciar as

condições necessárias para que os íons HPO42- sejam incorporados na estrutura. O fato

de não haver variação de volume para a amostra imersa em água destilada para esse

mesmo procedimento de aquecimento reforça essa ideia. O contrário desse efeito é

observado quando os nanocristais, para o mesmo procedimento de aquecimento, são

imersos em solução aquosa contendo íons Ag+. Logo, esse aumento do volume da célula

unitária está puramente ligado à entrada da Ag+ na estrutura da HA, sem qualquer

influência de outros grupos moleculares presentes na solução de imersão. Assim, uma

contribuição de mesma magnitude ou superior poderia ser esperada para a amostra

imersa na solução contendo Ag+ aquecida por micro-ondas. De fato, a magnitude

superior observada pode ser indício de que essa parte adicional seja efeito apenas do

aquecimento por micro-ondas sobre a inserção de Ag+ ou a efetiva inserção de

diferentes grupos iônicos na estrutura da HA.

56

CAPÍTULO 7.

CONCLUSÃO

57

O aquecimento dos nanocristais de HA em água destilada não provocou

alterações na composição elementar nem na quantidade de fases em relação aos

nanocristais de HA sem aquecimento. Todavia, esse tipo de aquecimento teve influência

nas reações de interface entre os cristais nano-estruturados de HA e os íons presentes no

meio aquoso. A ocupação dos sítios da estrutura da HA por grupos HPO42- e CO3

2- foi

significativamente afetada tanto pelo tipo de aquecimento quanto pela presença de íons

Ag+. Além disso, o aquecimento por micro-ondas induziu uma maior ocupação dos

sítios PO43- e OH- pelos íons CO3

2-. Foram observados indícios de substituição de CO32-

tipo A no espectro de absorção no infravermelho dos nanocristais de HA após

aquecimento por micro-ondas em água destilada, sendo os únicos a apresentarem tal

substituição. Essa substituição de CO32- tipo A promoveu, consequentemente, redução

do tamanho do cristalito e aumento da esfericidade dos nanocristais de HA aquecidos

por micro-ondas sem a presença de íons Ag+.

O método de troca iônica por imersão em solução aquosa contendo Ag+

promoveu a inserção de uma grande quantidade de prata na HA. Além do aumento na

dopagem da estrutura da HA, o aquecimento por micro-ondas apresentou taxas de

formação de fases Ag3PO4 e Ag0 superiores as do aquecimento por banho de óleo. As

reações entre os íons Ag+ e a superfície dos nanocristais de HA foram aceleradas pelo

aquecimento por micro-ondas. O efeito do aquecimento por micro-ondas na interação da

prata com nanocristais de HA ocorreu na interface sólido/líquido onde todas as

modificações estruturais observadas foram consequência das reações de interface entre

os cristais nano-estruturados de HA e os íons Ag+.

58

CAPÍTULO 8.

PERSPECTIVAS

PARA TRABALHOS

FUTUROS

59

O aproveitamento dos resultados discutidos no presente trabalho resultou na

publicação de um trabalho completo no 14° Congresso da Sociedade Latino Americana

de Biomateriais, Órgãos Artificiais e Engenharia de Tecidos – SLABO (5ª Edição do

Workshop de Biomateriais, Engenharia de Tecidos e Orgãos Artificiais – OBI) além da

submissão de um artigo científico no jornal internacional Materials Science and

Engineering: C (Qualis A1 – Eng II, F. I.: 4,164). A partir da discussão desses

resultados, podem surgir novas abordagens para trabalhos futuros, tais como:

Estudo da taxa de troca iônica de Ag+ com o Ca2+ da HA, bem como da taxa de

dissolução da HA a partir da observação e quantificação de Ca2+ e PO43- nas

soluções contendo Ag+ aquecidas em forno micro-ondas;

Estudo da concentração de Ag+ na solução aquosa que minimize ou anule a

formação de Ag3PO4 na troca iônica promovida pelo aquecimento por micro-

ondas;

Estudo da função das micro-ondas nas interações que envolvem os grupos

CO32- e os nanocristais de HA aquecidos após imersão em água destilada;

Estudo do efeito do aquecimento por micro-ondas nos mecanismos de adsorção

e troca iônica entre os íons Ag+ e os cristais de HA calcinados a 1000°C.

60

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