OBTENÇÃO DE HIDROXIAPATITA CRISTALINA POR VIA ÚMIDA Ishida, M. A., Volkmer, T.M., Santos, L.A.

A técnica de obtenção de hidroxiapatita via úmida, através de uma

reação simples de neutralização ácido-base (5Ca(OH)2 + 3H3PO4 �

Ca5(PO4)3OH + 9H2O), foi escolhida por ser amplamente empregada, por

fornecer hidroxiapatita com cristalinidade similar ao do tecido ósseo, baixo

custo de reagentes e por apresentar, como resíduo de reação, somente água.

Utilizou-se, no presente trabalho concentrações dos reagentes de 0,5, 1,0 e 2,0

Mol/L de ambas suspensão de hidróxido de cálcio e solução de ácido fosfórico,

com e sem a adição de defloculante. Estas soluções foram misturadas na

forma de garantir uma razão molar Ca/P = 1,67, a qual representa a razão

estequiométrica da hidroxiapatita. Os pós obtidos por esta técnica foram

analisados por difração de raios-X, para a determinação da(s) fase(s)

presente(s), pela técnica de espectroscopia de infravermelho, para a

determinação de grupos funcionais, e por microscopia eletrônica de varredura,

para a determinação da morfologia da partícula.

Palavras-Chave: Hidroxiapatita, defloculante, biomateriais

1. INTRODUÇÃO

O principal avanço na área de biomateriais tem ocorrido em diversos

países como conseqüência do aumento da população e, conseqüentemente,

da expectativa de vida e da qualidade de vida desta [VALLET-REGI, 1997]. Um

dos principais problemas causados pelo aumento da expectativa de vida da

população mundial é o crescimento do número de pacientes com osteoporose.

Além disto, há um aumento do número de veículos nas ruas, o que leva a um

aumento do número de acidentes envolvendo veículos.

O reparo de tecidos ósseos traz a necessidade de materiais adequados

para cada reparo ou intervenção de substituição, ou até adequados para a

1

obtenção de ossos artificiais [VALLET-REGI, 1997]. Por outro lado, o

aperfeiçoamento das técnicas cirúrgicas tem aumentado a demanda por

próteses, implantes, sistemas clínicos e dispositivos que precisam trabalhar em

contato com o tecido ósseo.

Por ser o principal componente mineral de ossos e dentes, a

hidroxiapatita - Ca5(PO4)3OH - sob a forma sintética vem sendo bastante

utilizada como enxerto e substituto ósseo por ser um material bioativo

[AFSHAR et al, 2003], [AOKI, 1991], [TEIXERA], esse fato torna a

hidroxiapatita um excelente biomaterial para implantes de longa permanência

[LE GEROS et al, 1990]. Estudos têm mostrado que a hidroxiapatita sintética é

totalmente biocompatível, não tóxico e osteocondutor – favorece o crescimento

de tecido ósseo sobre sua superfície [PAUL et al, 1999]. Este fato se deve à

grande similaridade química entre a hidroxiapatita e a fase mineral óssea

[AFSHAR; et al, 2003], [AOKI, 1991], [HENCH, 1997], [SAERIA et al, 2003],

[TEIXERA]. A hidroxiapatita é amplamente utilizada em odontologia e

ortopedia, sendo a maioria das marcas comerciais importadas devido à

dificuldade de obtenção de materiais nacionais com características adequadas

ao uso pretendido. O preço médio de um grama de hidroxiapatita para uso

odontológico é de aproximadamente 100 dólares, este fato faz com que poucos

tenham acesso a ela. Um dos problemas de processo encontrados para a

síntese desse tipo de material é em relação à quantidade de pó alcançado por

reação e pelo longo tempo de envelhecimento da hidroxiapatita.

Dentre os diversos métodos de obtenção de hidroxiapatita, o método via

úmida é o mais utilizado por fornecer hidroxiapatita com cristalinidade similar

ao do tecido ósseo, baixo custo de reagentes e por apresentar, como resíduo

de reação, somente água [AFSHAR et al, 2003], [AOKI, 1991], [RIGO, 1995].

Para este método, porém, deve-se fazer um rígido controle sobre as condições

processuais, pois estas afetam significativamente tanto o tipo de fosfato de

cálcio quanto as características morfológicas e físico-químicas dos pós obtidos

e, conseqüentemente, as características destes frente às condições

fisiológicas. Dentre os fatores que afetam a precipitação via úmida estão a

temperatura de reação e envelhecimento, natureza e concentração dos

2

reagentes, pH, velocidade de adição dos reagentes e o tempo de

envelhecimento.

Em vista disto, este trabalho visa a obtenção e caracterização de

hidroxiapatita sintética para uso como material de substituição óssea.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

Este trabalho tem como objetivo a obtenção e caracterização de

hidroxiapatita sintética para uso como material de substituição óssea. A

obtenção da hidroxiapatita será feita alterando-se as condições de precipitação

visando um melhor entendimento e melhoria do processo de síntese.

O fluxograma abaixo demonstra, sucintamente, as etapas de obtenção

da hidroxiapatita sintética pelo método via úmida. Estas etapas processuais

serão detalhadas posteriormente.

3

A reação de obtenção da hidroxiapatita, método via úmida por

precipitação, e o motivo pelo qual essa foi escolhida estão mostrados a seguir:

é o método mais empregado industrialmente, o único subproduto da reação é

água não causando problemas quando da utilização como biomaterial, os

reagentes são baratos e de fácil acesso (reagentes com grau de pureza

adequado).

5Ca(OH)2 + 3H3PO4 Ca5(PO4)6OH + 9H20

Há de se ressaltar que o método de precipitação utilizando-se ácido

fosfórico e hidróxido de cálcio é muito utilizado tanto pela comunidade científica

[OSAKA et al, 1991], [PAUL et al, 1990], [RIGO, 1995], [SHARMA et al, 1993]

quanto industrialmente.

A precipitação da hidroxiapatita, via este método, dar-se-á pela reação

entre uma solução de H3PO4 (85% P.A – Nuclear, lote 02081360) e uma

suspensão contendo Ca(OH)2 (P.A – Nuclear – lote 0303033) descrita a seguir.

Com o objetivo de se alcançar como principal fase a hidroxiapatita, tendo

em vista a sua grande importância como biomaterial, as concentrações

Sistema de precipitação da hidroxiapatita.

Ca(OH)2

Suspensão Concentrações

0,5, 1,0, 2,0 Mol/L.

Gotejamento da solução de ácido fosfórico a uma

taxa de ±2,0ml/min sobre

a suspensão de hidróxido de

cálcio, a qual foi mantida a

temperatura de 90ºC±1ºC.

H3PO4

Solução

Adição ou não de defloculante.

Envelhecimento de 24 horas a

90ºC±1ºC.

Calcinação à 1000ºC durante uma hora

Desaglomeração com auxílio de um almofariz.

Pó

Retirada da água em estufa à 110ºC.

XRD, IV e MEV

4

utilizadas visaram a razão molar Ca/P igual a 1,67. Para tanto, foram

preparados 300 mL de uma solução contendo H3PO4 e 500 mL de uma

suspensão contendo Ca(OH)2 (para o preparo destas utilizou-se água destilada

e deionizada para evitar ao máximo contaminações, tendo em vista a aplicação

deste material). As concentrações utilizadas estão especificadas na Tabela 6.

Para algumas amostras introduziu-se um defloculante orgânico aniônico

(poliacrilato de amônio – Disperlan LA, Lambra Ltda) à suspensão de.hidróxido

de cálcio, anteriormente à etapa de envelhecimento. A suspensão de Ca(OH)2

foi colocada em um balão de vidro de fundo redondo, o qual foi mantido sob

aquecimento e agitação constantes utilizando-se uma manta térmica (Fisaton)

com controlador de temperatura e um agitador mecânico (IkaLabortechnik),

respectivamente. À suspensão foi adicionada, a uma taxa constante, a solução

de 300 mL de H3PO4, esta se encontrava à temperatura ambiente. A adição foi

controlada para que a taxa de adição de H3PO4 fosse de aproximadamente 2

mL/min. Se a velocidade de adição é suficientemente lenta, pode-se evitar a

precipitação de fosfato de cálcio amorfo, obtendo-se diretamente uma

hidroxiapatita com boa cristalinidade [SECKLER et al, 1996]. Segundo López

[LÓPEZ, et al., 1997], quando se quer alcançar um material estequiométrico, é

preferível adicionarmos a fonte de fosfato sobre a de cálcio, assim consegue-se

a nucleação direta de hidroxiapatita precedida da fase intermediária de fosfato

de cálcio amorfo. O processo de precipitação dá-se em regime semicontínuo,

isto é, por adição lenta dos reagentes para evitar variações bruscas nas

condições de reação [SECKLER et al]. Durante todo o processo de adição,

assim como a etapa posterior de envelhecimento, a temperatura da síntese foi

mantida constante (90ºC ± 1ºC) assim como a agitação (±200 rpm). Segundo

Rigo [RIGO, 1995], temperaturas entre 70 e 90ºC propiciam a formação de

uma hidroxiapatita com razão mais próxima da estequiométrica.

Tabela 6 – Condições de precipitações e identificação das amostras.

5

Amostra Concentração

inicial de ambos reagentes

Razão molar entre os reagentes utilizada nas

reações

Adição de defloculante

Identificação (Mol/L) Ca /P

% em peso em relação à

quantidade de Ca(OH)2

5-0 0,5 1,67 0

10-0 1,0 1,67 0

20-0 2,0 1,67 0

10-3 1,0 1,67 3

20-3 2,0 1,67 3

20-4 2,0 1,67 4

Ao término da adição da solução de ácido fosfórico, o precipitado foi

mantido às mesmas condições iniciais de temperatura e agitação para o

envelhecimento, que foi de 24 horas. Para tanto, utilizou-se, nesta etapa, um

condensador de bolas para manter a concentração constante durante o

envelhecimento. O envelhecimento do precipitado é definido como o conjunto

de transformações irreversíveis que ocorre num precipitado depois que ele se

formou. Durante este processo as partículas pequenas tendem a se dissolver e

precipitar sobre a superfície dos cristais maiores. Este fenômeno é denominado

de “Ostwald rippening” e ocorre porque as partículas menores são mais

solúveis que as maiores, pois estas não atingiram um tamanho crítico para se

tornarem estáveis energeticamente, sendo sua razão área superficial sobre

volume muito elevada. Assim uma solução contendo partículas pequenas é

supersaturada em relação a uma solução que contem partículas grandes, o

que provoca o crescimento das partículas maiores a custo das menores.

Tempos de envelhecimento prolongados, ~24 horas ou meses, e elevadas

temperaturas, próximas de 100ºC, geralmente favorecem relações Ca/P

próximas à estequiométrica para a hidroxiapatita - 1,67 - e alta cristalinidade,

6

enquanto processos rápidos, por exemplo, pelo uso de reações concentradas,

conduzem a valores de Ca/P próximos a do fosfato de cálcio amorfo - 1,48 - e

baixa cristalinidade [SECKLER et al]. A cristalinidade dos materiais obtidos por

precipitação é, tipicamente, inferior aos materiais sintetizados por via

hidrotérmica ou seca.

Ao término da etapa de envelhecimento, o precipitado foi posto para

secar em uma estufa à temperatura de 110ºC durante 24 horas para a retirada

da água. Em seguida, o pó obtido foi desaglomerado com o auxílio de um

almofariz. Posteriormente, o pó foi posto em um cadinho de alumina para

calcinar em um forno elétrico (Sanchis Ltda) a uma temperatura de 1000ºC,

sendo esta mantida por 1 hora.

Para a caracterização da hidroxiapatita, após a etapa de calcinação,

obtida por este método, contamos com as seguintes técnicas:

• Difração de raios X: através desta técnica foi possível analisar as fases

cristalinas obtidas com este processo. Foi utilizado para esta análise o

Difratômetro Phillips X´Pert MPD com tubo de cobre (radiação Kα =

1,5418 Ǻ). A tensão e a corrente utilizadas no tubo foram 40 KV e 40

mA, respectivamente, para a obtenção dos difratogramas. O difratômetro

utilizado possui geometria θ – θ. A velocidade de varredura do

goniômetro foi de 0,05º/s, sendo o intervalo de varredura de 10º a 75º.

Para a realização deste ensaio os pós foram compactados em um porta

amostra utilizando-se de um peso padrão (o conjunto acompanha o

difratômetro da Phillips).

• Espectroscopia de infravermelho, IV: podemos obter informações da

presença de grupos funcionais (por exemplo, HPO42-, CO3

2-, PO43-,

P2O74-, etc); maneira de substituição (por exemplo, CO3 por PO4);

pureza. Esta técnica é utilizada como complemento à técnica de difração

de raios-X, sendo que esta detecta as freqüências de vibração das

ligações químicas no sólido. Nesta técnica, as amostras foram

caracterizadas num intervalo de 400 a 4000 cm-1 em um espectrômetro

Stpectrum 1000 do LAPOL - Escola de Engenharia - UFRGS. Para

tanto, fez-se necessário a confecção de uma pastilha envolvendo o pó

7

em questão (a hidroxiapatita) e uma porcentagem de KBr de grau

espectroscópico na seguinte proporção: 0,3 mg de pó para 300 mg de

KBr.

• Microscopia eletrônica de varredura, MEV: podemos obter informações

de defeito de rede, tamanho e forma de cristalito e orientação. As

amostras, em forma de pó, foram colocadas sobre um suporte de

alumínio e em seguida metalizadas devido a não condutividade da

hidroxiapatita. A tensão utilizada foi de 30,0KV. As fotomicrografias

foram tiradas em um microscópio eletrônico de varredura modelo XL –

20 da Philips do LAMEF - Escola de Engenharia – UFRGS.

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Utilizando-se a técnica de difração de raios-X puderam-se obter os

seguintes padrões de difração, conforme indicado abaixo na Tabela 7. Todos

os padrões de difração, com exceção ao da amostra 5-0, foram comparados ao

padrão da mostra de 0,5 Mol/L, o qual é utilizado extensivamente tanto pela

comunidade científica, quanto pelos processos industriais, por fornecer, como

única fase cristalina, somente a hidroxiapatita.

Tabela 7 – Identificação das amostras com seu respectivo padrão de difração.

Amostra Figura Identificação Número

5-0 7

10-0 8

20-0 9

10-3 10

20-3 11

20-4 12

8

Com relação às análises por difração de raios-X puderam-se obter os

seguintes resultados, conforme indicado na Tabela 8.

Tabela 8 – Resultados das análises por difração de raios-X (as % encontradas

são em relação ao erro do difratômetro de raios-X, sendo que só se detecta

concentrações acima de 5%).

Amostra Fase(s) Encontrada(s)

Identificação %

5-0 Hidroxiapatita > 95

10-0 Hidroxiapatita < 95 e β-TCP > 5

20-0 Hidroxiapatita < 95 e β-TCP > 5

10-3 Hidroxiapatita > 95

20-3 Hidroxiapatita < 95 e β-TCP > 5

20-4 Hidroxiapatita > 95

Através das análises pode-se observar que a amostra 5-0, a qual

corresponde a concentração de 0,5 Mol/L sem a adição de defloculante,

freqüentemente utilizada em literatura, apresenta somente o padrão de difração

da hidroxiapatita. Segundo Rigo [RIGO, 1995], um aumento da concentração

até 0,5 Mol/L propicia uma melhor cinética reacional, pois se tem uma maior

quantidade de hidróxido de cálcio e ácido fosfórico, sendo que a reação dar-se-

á, principalmente sobre a superfície das partículas em suspensão. Já nos

padrões de difração para as concentrações das amostras 10-0 e 20-0,

correspondentes as concentrações de 1,0 e 2,0 Mol/L, respectivamente, ambos

sem a adição de defloculante, observa-se o aparecimento, além da fase

cristalina correspondente à hidroxiapatita, a fase fosfato tricalcio (β-TCP),

donde pode-se observar a grande influência da concentração na obtenção da

hidroxiapatita. Para a amostra 20-3, correspondente à concentração de 2,0

Mol/L com a adição de 3% de defloculante, pode-se observar, também, o

aparecimento β-TCP juntamente com a hidroxiapatita. As amostras 10-3 e 20-

4, correspondentes às concentrações de 1,0 Mol/L com adição de 3% de

defloculante e 2,0 Mol/L com adição de 4% de defloculante, respectivamente,

9

apresentaram como única fase cristalina, a hidroxiapatita. Não foi evidenciada,

também, a presença de carbonato de cálcio por este ensaio.

É sabido que a solubilidade do hidróxido de cálcio diminui com o

aumento da temperatura como indicado na Figura 6. Assim, a suspensão de

hidróxido de cálcio é considerada como um sistema com solução saturada com

corpo de fundo, tendo, logo, a concentração de íons Ca2+ constante devido ao

equilíbrio dinâmico que há entre a suspensão e corpo de fundo. Isto garante a

concentração de Ca2+ durante toda a reação. Deste modo, segundo Osaka

[OSAKA et al, 1991], a reação dar-se-á na superfície da partícula e não com os

íons em solução. Uma maior concentração dos reagentes, logo, leva a um

maior número de partículas de Ca(OH)2 e, também, íons fosfato, portanto tem-

se uma maior probabilidade de que a reação ocorra mais próxima da superfície

da partícula, podendo dar-se sobre a partícula, além de ocorrer com os íons em

solução, como descrito acima por Osaka. Portanto, podemos considerar este

tipo de reação uma reação do tipo heterogênea. Segundo Osaka [OSAKA et al,

1991], próximo da partícula de Ca(OH)2 o pH é mantido suficientemente

elevado, pH > 12, para produzir uma hidroxiapatita com razão mais próxima da

estequiométrica. No volume, no entanto, o pH é menor que 12, o que propicia a

precipitação de hidroxiapatita com defeitos, ou seja, contendo íons HPO42-,

uma vez que, próximo deste pH, os íons HPO42- são mais estáveis que os íons

PO43-, de acordo com as três etapas de dissociação do ácido fosfórico:

H3PO4 ↔ H+ + H2PO41- pk1 = 2,12

H2PO41- ↔ H+ + HPO4

2- pk2 = 7,20

HPO42- ↔ H+ + PO4

3- pk3 = 12,3

os quais propiciam três pontos de equivalência para este sistema químico.

Onde o primeiro é verificado para pH = 4,67, o segundo para pH = 9,45 e o

terceiro para pH = 11,85 [BACCAN et al].

10

Utilizando-se a técnica de espectroscopia de infravermelho pôde-se

obter os seguintes espectros, conforme indicado na Tabela 9 abaixo. Todos os

espectros de infravermelho, com exceção ao da amostra 5-0, foram

comparados ao espectro da mostra de 0,5 Mol/L, o qual, como já dito

anteriormente, propicia a formação, como única fase cristalina, a hidroxiapatita.

Tabela 9 – Identificação das amostras com seu respectivo espectro

infravermelho.

Amostra Figura Identificação Número

5-0 14

10-0 15

20-0 16

10-3 17

20-3 18

20-4 19

Através das análises pode-se observar que todas as amostras

apresentaram as mesmas bandas de absorção, as quais são características da

hidroxiapatita. As bandas de absorção encontradas correspondem aos grupos

funcionais OH (± 3572 cm-1 e ± 632 cm-1), PO43- (± 1090 cm-1, ± 1047 cm-1, ±

962 cm-1, ± 602 cm-1 e ± 570 cm-1) e H2O (± 1090 cm-1 e ± 632 cm-1). Apesar

das formulações 10-0, 20-0 e 20-3 apresentarem a fase β-TCP, não se pode

diferenciá-las, por espectroscopia de infravermelho, das outras composições.

Segundo Le Geros [LE GEROS, 1991, a única diferença entre os espectros da

hidroxiapatita e o β-TCP estão nas bandas de absorção do grupo P-O na faixa

de 500 a 1200 cm—1. Nestas regiões, para a fase β-TCP, aparecem as bandas

correspondentes a 1115, 1096, 1007 e 944 cm—1, já para a hidroxiapatita, há o

aparecimento das bandas correspondentes a 1090, 1040, 960, 605 e 505 cm—

1. A partir da Figura 13 podemos notar como seria a região de absorção

referente ao grupo P-O contendo, além da hidroxiapatita, uma certa quantidade

11

de β-TCP. Além disto, na região entre 500 e 610 cm—1, para o β-TCP, aparece

um duplete e não um triplete, ambos característicos do grupo P-O, sendo o

triplete característico da hidroxiapatita. Isto pode ser presenciado, também, na

Figura 13, onde para uma maior percentagem da fase β-TCP, representado

pela amostra A800, pode-se notar uma tendência à formação de um duplete.

Uma hipótese para a não identificação das bandas correspondentes à ligação

P-O da fase β-TCP é devido a sua baixa concentração, como visto através da

análise por difração de raios-X, fazendo com que ocorra a sobreposição de

bandas de absorção, visto que as bandas P-O, referentes à fase β-TCP, ficam

perto das bandas P-O da fase hidroxiapatita, a qual apresenta-se em maior

concentração. Outra hipótese seria devido à elevada temperatura de

calcinação do pó obtido, que foi de 1000ºC, assim, apresentando elevada

cristalinidade o que ocasiona um aumento da intensidade de absorção das

bandas mais intensas encobrindo bandas de menor intensidade.

Figura 13 – Espectro infravermelho característico de uma mistura de

hidroxiapatita e β-TCP, sendo todas calcinadas a 800ºC e diminuindo-se a

proporção, A para D, de β-TCP [VALLET-REGÍ et al, 1997].

Segundo Le Geros [LE GEROS, 1991], a hidroxiapatita pura somente é

obtida por reações de estado sólido ou método hidrotermal a 375ºC e não é

obtida por sistemas aquosos. Assim, é provável que as hidroxiapatitas

12

sintetizadas neste trabalho sejam hidroxiapatitas não estequiométrica. Um dos

muitos parâmetros para a identificação de uma hidroxiapatita não

estequiométrica, razão Ca/P < 1,67, é o aparecimento das bandas de absorção

correspondentes às ligações HPO42- e CO3

2- [AOKI, 1991], [OSAKA et al,

1991], [RIGO, 1995]. Segundo Rigo [RIGO, 1991], temperaturas acima de

40ºC, no processo de precipitação, favorecem o aparecimento, nos espectros

de infravermelho, das bandas correspondentes às ligações HPO42-, pois estes

se tornam estáveis em solução. Porém, as hidroxiapatitas obtidas neste

trabalho não apresentaram as bandas correspondentes a uma hidroxiapatita

não estequiométrica. Isto pode ser explicado, como no caso das bandas

referentes à ligação P-O, pelo mascaramento destas pela alta cristalinidade

alcançada devido à etapa de calcinação ser realizada à elevada temperatura,

pois estas bandas geralmente se apresentam com baixas intensidades. As

bandas correspondentes às ligações HPO42- e CO3

2- são 875 e 1500 – 1400

cm-1, respectivamente. Uma hipótese seria a precipitação de uma mistura de

hidroxiapatita e fosfato octacálcico, devido à similaridade entre estas duas

estruturas. Sabendo-se que os cristais de fosfato octacálcico hidrolisam até

atingir a estrutura da hidroxiapatita abaixo de 50ºC. Sendo esta possível

mistura não identificada por análise de difração de raios-X [IIJIMA et al, 1992].

Isto poderia ser válido para as amostras que apresentaram β-TCP, pois as

amostras foram calcinadas a temperaturas superior a 700ºC, visto que acima

desta, o fosfato octacálcico transforma-se em β-TCP.

6. CONCLUSÕES

A investigação do método de obtenção de hidroxiapatita sintética,

através do método via úmida por precipitação, conduz-nos às conclusões

apresentadas a seguir.

♦ Obteve-se hidroxiapatita sintética, com potencial uso em ortopedia e

odontologia.

♦ Concentrações acima de 0,5 Mol/L dos reagentes, sem a adição de um

defloculante, favorecem o aparecimento de fase β-TCP.

13

♦ A utilização de defloculante, método inédito e sem estudos anteriores na

literatura, permitiu a obtenção de hidroxiapatita em soluções de elevada

concentração, levando a um aumento de 400% no rendimento da reação

em relação à concentração normalmente utilizada tanto industrialmente

quanto pela comunidade científica.

♦ Os padrões de raios-X e os espectros de infravermelho mostraram que

não houve diferenças químicas e estruturais entre as hidroxiapatitas

obtidas com ou sem defloculante, para as composições de 0,5 Mol/L

sem defloculante, 1,0 Mol/L com 3% de defloculante e 2,0 Mol/L com 4%

de defloculante.

♦ A dispersão dos reagentes tem papel fundamental na cinética de

formação das fases de fosfato de cálcio estudadas.

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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