HIDROXIAPATITA

Universitatea POLITEHNICA, Bucuresti

Facultatea de Chimie Aplicata si Stiinta Materialelor

HIDROXIAPATITA

1. INTRODUCERE

Unii cercetatori au lansat ipoteza ca sarurile minerale ca si calciul si/sau fosfatul intr-un defect osos stimuleaza reparatia osoasa prin aducerea mineralelor necesare care pot fi importante in osul care trebuie regenerat.

Albee si Morison (1920) au injectat 5% suspensie de fosfat tricalcic in osul radial al soarecilor lasand periosul intact. Analizele radiografice au relevat ca defectul injectat cu fosfat tricalcic a avut o crestere osoasa mai rapida si o sudare mai buna decat proba martor. Anul 1963 este foarte important din punct de vedere al istoriei bioceramice. In acel an Smith a raportat dezvoltarea unui substituent de ceramica osoasa obisnuit, prin impregnarea a 48% ceramica aluminoasa poroasa cu o rasina epoxi. Acest material atinge propietatile fizice ale osului.

In continuare cercetarile s-au diversificat si pe langa dezvoltarea bioceramicii aproape inerte la inceputul anilor '70, o noua directie a aparut in domeniul biomaterialelor. Hench (1972) si colaboratorii au gasit o compozitie de sticla specifica, care implantata in femurul soarecilor nu putea fi extrasa cu forta dupa numai 6 saptamani "in vivo" .

Multe dintre cercetarile de implant osos cu biosticla sau biovitroceramica au fost facute folosind o compozitie inscrisa cu 45S5 continand (%greutate) 45%SiO₂, 25,5%CaO, 24,55Na₂O, 6%P₂O₅. Un studiu ulterior a aratat ca formula 45S5 se afla langa mijlocul a ceea ce este desemnat drept limita de liere a osului pe o diagrama ce reflecta pozitia unei biosticle.

Nivelul de biocompatibilitate al unui material poate fi corelat cu timpul in care pentru 50% din suprafata implantului s-a realizat legarea de os ( t _0.5bb ).

Indicele de bioactivitate se defineste dupa formula:

IB = 100/t _0.5bb

In prezent, cel mai promitator sistem bioceramic pentru constructia articulatiilor fara polimetilacrilat (PMMA) se bazeaza pe biosticla care inveleste aliajele metalice chirurgicale. Blenchke, Bromer si asociatii au realizat studii detaliate pe un material cu suprafata vitroceramica (Ceravital) care este asemanatoare cu biosticla Hench 52S46. Studiile lor de implant la soareci sau caini au confirmat directa legatura la os a materialului. Aproape 50 de oameni au primit implanturi dentare si mariri de mandibula cu materiale cu suprafata activa vitroceramica (Ceravital).

Protezele pentru sold in totalitate din metal proiectate pentru caini, acoperite cu vitroceramici cu suprafata activa de tip Ceravital au fost testate de curand. Procesul de acoperire implica un strat de baza si un strat de sticla inerta pe metal si o fuziune finala a granulelor de vitroceramica cu suprafata activa in stratul de sticla inerta.

Granulele de vitroceramica cu o suprafata activa au fost deasemenea adaugate cu PMMA in procente volumetrice de 70 %.

Biomaterialelor le sunt impuse cerinte deosebite; ele trebuie sa indeplineasca simultan conditii biologice, chimice, mecanice si uneori estetice.

In prezent sunt cercetate, testate si utilizate mai multe categorii de biomateriale ceramice si anume:

a)     ceramica pe baza de fosfati de calciu;

b)     ceramica din alumina;

c)     ceramica din zircona partial stabilizata;

d)     sticle fosfo-silicatice ;

e)     materiale compozite de tip ceramic, ceramo - metalic, ceramo - plastic.

Descoperirea polimerilor organici acoperiti cu un strat de apatita se asteapta sa fie folositoare cu substituent nu numai pentru tesuturile tari, dar si pentru tesuturile moi deoarece ele prezinta o inalta bioactivitate precum si ductibilitate.

Comportarea bioactiva a amestecului pe baza de sticla si rasina este asteptat sa fie folositoare protezelor osoase si cimentarii materialelor pentru diferite implanturi.

1.2. CERAMICA PE BAZA DE FOSFATI DE CALCIU

Bioceramica din fosfati de calciu este cea mai apropiata bioceramica de compozitia osului natural si poate fi incadrata in sistemul binar CaO-P₂O₅.

Stabilizarea fazelor din sistem, indeosebi din zona C₃P - apatita, de mare interes pentru materialele bioceramice, se modifica in functie de temperatura si presiunea vaporilor de apa. Pentru temperaturi de sinterizare date, domeniile compozitionale fosfatice sunt strans dependente de presiunea partiala a vaporilor de apa. Astfel, pentru temperatura de sinterizare la 1250°C, daca log p_H2O>1, fazele stabile sunt hidroxiapatita si oxidul de calciu. Amestecul de oxid de calciu si hidroxiapatita este indezirabil ca urmare a interactiei oxidului de calciu cu lichidele fiziologice dupa implantare.

Rezistenta mecanica a materialelor ceramice fosfatice se afla in stransa dependenta cu porozitatea lor.

Implanturile de ceramici pe baza de fosfati de calciu sunt in "vivo", supuse unui proces de biodegradare.

Ceramica de tip hidroxiapatita este biodegradabila prin solubilizare, constatandu-se o eroziune a suprafetei, care creste in timp pana la 15-20 µm.

Ceramica din fosfat tricalcic se dezintegreaza in granule prin solubilizarea puntilor, iar particulele rezulate prin dezintegrare se regasesc in nodurile limfatice.

Ca urmare a unei comportǎri mecanice relativ slabe, dar datorita bioactivitatii sale deosebite, hidroxiapatita a fost testata in ultimul timp pentru acoperirea metalelor utilizate ca implanturi, dar la fel de bine poate fi utilizatǎ si ca senzor.

2. GENERALITATI

2.1.STRUCTURA SI COMPOZITIE:

• Hidroxiapatita este similara chimic cu partea minerala a tesuturilor dure ale mamiferelor;
• Are formula chimica ideala Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂;
• Este osteoconductiva, permitand cresterea osului in interiorul implantului si in consecinta osteointegrarea;
• Are tendinta mare de a forma compusi nonstoichiometrici, prin:

- substitutii cu diferiti anioni si cationi;

- aparitia unor defecte in retea.

• Este cel mai putin solubila dintre fosfatii de calciu.
• Se descompune termic la temperaturi cuprinse intre 800-1200oC, in functie de modul de obtinere;
• Pentru conditii speciale de sinteza poate fi stabila pana la temperaturi de 1500^oC;
• In forma densificata nu are proprietati mecanice suficient de bune pentru a putea fi folosita in aplicatii care presupun eforturi mecanice importante (ortopedie).
• In stare pura este monoclinica, grup spatial P21/b.
• La 250^oC trece in simetria hexagonala.

2.2. PROPRIETATI FIZICO-CHIMICE:

Masa moleculara: M=503 g/mol.

Culoare: incolor, gri, alb, galben, galben-verzui.

Sistem cristalin: haxagonal, bipiramidal.

Duritate pe scara Mohs: 5.

Indice de refractie: n=1.651.

Densitate : ρ=3.156 g/cm³

2.3. METODE DE OBTINERE A HIDROXIAPATITEI

Reactii in faza solida

Procese sol-gel;

Reactii hidrotermale;

Preparare biomimetica;

Reactii de co-precipitare.

2.3.1. REACTII IN FAZA SOLIDA

Hidroxiapatita se poate forma si prin reactie in faza solida la T=900°C, in mediu umed conform reactiei:

3C₃P + Ca(OH)₂ => Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂

Incalzind un amestec de C₃P si C₄P la 900°C, in mediul umed, se formeaza

hidroxiapatita, conform reactiei:

6H₃PO₄ + 10Ca(NO₃)₂ + H₂O => Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂+20HNO₃

Raportul Ca/P este 1,667. Dupa precipitare,materialul se usuca si se calcineaza, in etape, pe un interval de T=1100-1200°C.

O metoda propusa de Jarcho consta in obtinerea hidroxiapatitei din Ca(NO₃)₂ si (NH₄)₂HPO₄ la 65°C si pH = 11. Precipitatul obtinut este separat prin centrifugare si calcinat la 300°C. Pudra obtinuta este tratata termic la 1200°C-2h sau hidrotermal in autoclava la 350°C timp de 24h.

2.3.2. SINTEZA SOL - GEL

In ultimii ani, cea mai frecvent utilizata ruta in sinteza hidroxiapatitei este cea neconventionala: sol - gel. Se porneste de la CaO si H₃PO₄ ca reactivi initiali. Sinteza hidroxiapatitei a fost considerata in urmatoarele conditii:

Raport Ca/P de 1,67 si 1,8;

Temperaturile la care se produce reactia in solutii 23,50 si 80°C;

Timpul de maturare a precipitatului dupa reactia de sinteza: 17 si 89 ore;

Temperaturile de uscare a precipitatelor: 23 si 45 °C;

Pulberile s-au calcinat la 800°C si sinterizat la 1250°C;

Sub aspectul morfologiei fazelor, analizele microscopice pun in evidenta influenta puternica a conditiilor de sinteza. Astfel, precipitatul obtinut pentru raportul Ca/P = 1,67, la 23°C este "pufos", in timp ce pentru acelasi raport, dar in conditii de reactie la 50 si 80°C, cristalele sunt mai "compacte".

Cresterea temperaturii de sinteza determina astfel o hidroxiapatita mai bine cristalizata, cu o stare structurala mai putin defectoasa.

2.3.3. SINTEZA HIDROTERMALA   

Sinteza hidrotermala se desfasoara in autoclava, la temperaturi moderate si presiuni de peste 1 atm. Aceasta tehnica permite obtinerea unui material cu grad ridicat de cristalinitate si cu raportul Ca/P apropiat de cel stoechiometric, adica 1,667. Dimensiunile cristalelor de HAp variaza de la nanometri la milimetri. Prin tratament hidrotermal, morfologia pulberilor se schimba; dupa unii autori particulele de aprox. 400 nm au forma prismatica [1], sau microstructura lamelara cu dimensiuni ale particulelor ~ 5µm [3].

2.3.4. PREPARARE BIOMIMETICA

Nu s-a reusit inca imitarea abilita ii naturii de a asambla compusi anorganici in structuri biologice, cercetari extensive sunt dedicate biomineralizarii. Formarea osului in prezenta implanturilor depinde in final tot de organismul viu. S-au preparat materiale biomimetice de substitutie, pentru os, prin precipitarea HAp pe suprafata fibrelor de colagen.

• nu s-a reusit imitarea structurii osului natural;
• sunt utilizate in aplicatii clinice.

Cel mai simplu mod de a aborda prepararea biomimetica a apatitelor il constituie utilizarea SBF ca mediu de reac ie:

• cristale nanometrice, cu morfologie aciculara;
• materiale cu proprieta i mecanice i stabilitate termica imbunata ite.

Pot fi adaugate enzime in mediul de reac ie. Prepararea HAp in prezenta surfactantilor a condus la obtinerea unor cristale lamelare. Precipitarea in prezenta polielectrolitilor organici conduce la obtinerea asa numitelor organoapatite. Controlul pHului si a concentra iei ionilor este foarte important pentru obtinerea Hap, la precipitarea din solutii neutre pHul scade datorita eliberarii protonilor imobilizati in sarurile de fosfati de calciu.

Una dintre diferen ele majore intre prepararea HAp in condi ii de laborator i formarea in organismul uman este data de viteza de precipitare:

• precipitarea in condi ii biologice poate dura luni; o durata similara de reac ie se poate ob ine prin separarea reactan ilor prin intermediul unei membrane sau a unui mediu, care ac ioneaza ca o bariera de difuzie;
• mediul de separare poate con ine grupari func ionale biomimetice, care sa influen eze modul de cre tere a cristalelor.

2.3.5 REACTII DE CO-PRECIPITARE

Se utilizeaza ca materii prime compusi de calciu si fosfor:

• NH₄H₂PO₄, (NH₄) ₂HPO₄, H₃PO₄;
• CaCl₂, Ca(NO₃) ₂, (CH₃COO) ₂Ca, Ca(OH) ₂, Ca(NO₃) ₂, CaSO₄ · 2H₂O.

Se foloseste NH₄OH pentru reglarea pH-ului la valori pentru care hidroxiapatita este stabila.

Cristalinitatea HAp creste cu temperatura de reactie:

• < 80^oC: caracter slab cristalin;
• 80 - 100^oC: HAp cristalina.

Gradul de deficienta al structurii este influentat de pH-ul mediului de reactie: scade pe masura ce creste pH-ul.

Se obtin structuri cu diferite rapoarte Ca/P, cuprinse intre 1,75 si 1,67, in care pot apare cu usurinta substitutii cu specii straine, care intra in pozitiile gruparilor [PO₄] ^-3 ; este necesar ca prin metodele de sinteza sa fie eliminata prezenta unor specii cum ar fi: SiO^-4₄ , SO^-2₄, CO^-2₃.

2.4. APLICATII

Hidroxiapatita se foloseste in medicina, mai precis in stomatologie, in paradontologie, implanturi osoase si cosmetologie.

Pentru estetica faciala, substanta este folosita ca tratament non-chirurgical, simplu si sigur, pentru infrumusetare, corectare si contur. Se utilizeaza pentru corectia liniilor nazolabiale, a liniilor radiale, a liniei maxilarului, barbiei, in defecte post-rinoplastie, obrajilor (augmentare). Unele produse ce contin aceasta substanta au un spectru de actiune mai larg, fiind utilizate si pentru anumite defecte ale gurii/maxilo-faciale (defecte periodontale, umplerea apofizei alveolare, locurile unde s-au facut extractii, completari cranio-faciale, ridicarea sinusului si defecte cistice), tratamentul pacientilor cu lipoatrofie faciala (pacienti ai caror obraji si-au pierdut conturul natural), corectarea problemelor legate de incontinenta urinara, completarea coardelor vocale (substanta se injecteaza in coardele vocale si/sau in structurile de sustinere a acestora; efectul de aglomerare a implantului duce la sprijinirea coardelor vocale, facilitand astfel vorbirea si prevenind aspirarea lichidelor in directii gresite; de asemenea, corecteaza insuficienta respiratorie cauzata de functionarea defectuoasa a laringelui), marcarea tesutului pentru radiografie (permite o localizare precisa a unor zone interne pentru interventii chirurgicale sau tratamente terapeutice) si reconstructia mamara.

. DETERMINARI EXPERIMENTALE

3.1. DESCRIEREA METODEI:

Flux tehnologic:

Metoda de co-precipitare poate fi schematizata astfel :

3.1. COMPOZITIA AMESTECULUI DE MATERII PRIME:

NH₄OH

10Ca(NO₃)₂ + 6(NH₄)₂HPO₄ → Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂

Pentru obtinerea a 10g de hidroxiapatita s-au folosit: 23,64 g Ca(NO₃)₂ 4H₂O si 7,939 g (NH₄)₂HPO₄

S-au amestecat substantele pe agitator magnetic in prezenta de NH₄OH, controlandu-se pH-ul, acesta avand valoarea intre 8 si 10. S-a lasat la maturat si la uscat, apoi s-a calcinat pulberea la 650˚C timp de 2ore (temperatura de calcinare a fost determinata din curba ATD). Apoi pulberea calcinata s-a mojarat si s-a pregatit pentru procesul de fasonare. S-au fasonat sub forma de capsule cilindrice 5 pastilute cu ajutorul presei uniaxiale. Acestea au fost tratate termic (sinterizate) la 1000˚C , respectiv 1200˚C timp de 2 ore.

Curbele ATD pot oferi informatii cantitative datorita faptului ca alura lor este influentata de cantitatea de substanta, iar pentru aceeasi cantitate de substanta, alura lor este influentata de concentratia in component activ.

Din curba ATD rezulta ca operatia de calcinare trebuie facuta la o temperatura de 650˚C, pentru ca, pana in aceasta temperatura, au loc urmatoarele procese:

eliminarea apei;

descompunerea impuritatilor;

eliminarea compusilor organici.

a) t_i = 20,41˚C; t_f = 117,67˚C; Δm = -3,742% proces endoterm ; pierdere de masa datorata evaporarii apei si descompunerii impuritatilor.

b) t_i = 313,89˚C; t_f = 535,41˚C; Δm = -4.815%; proces endoterm; pierdere de masa datorata descompunerii impuritatilor organice.

3.3. ANALIZA HIDROXIAPATITEI:

Determinarea densitatii aparente:

S-au masurat cele 5 pastile cu ajutorul sublerului, s-au cantarit la balanta analitica iar cu ajutorul formulei: ρ = m/V, s-au obtinut urmatoarele date:

Pastila 1 a fost tratata termic la temperatura de 1000 grade Celsius palier de 2h.

Pastila 5 a fost tratata termic la temperatura de 1200 grade Celsius palier de 2h.

Determinarea absorbtiei si porozitatii:

Pentru aceasta determinare, pastilele au fost supuse fierberii timp de 1.5 ore, masa lor crescand:

Absorbtia s-a determinat cu ajutorul formulei de calcul: A = [(m' - m)/m] ·100, iar porozitatea deschisa cu ajutorul formulei: P = A ·ρ.

Din datele obtinute putem spune ca materialul obtinut prezinta o porozitate redusa; nu este un material foarte densificat, dar nici un material cu o porozitate foarte ridicata.

Determinarea rezistentei mecanice:

Rezistenta mecanica s-a determinat folosind presa uniaxiala, obtinandu-se urmatoarele valori:

Din valorile obtinute, putem spune ca rezistenta mecanica a hidroxiapatitei este redusa, valorile fiind diferite intre ele si datorita modului de fasonare.

Analiza de Raze X:

Prin difractie de raze X (analiza roentgenografica) se pot obtine informatii cu privire la natura fazelor cristaline formate si dimensiunea medie de cristalit.

Difractia de raze X s-a aplicat atat pe proba calcinata cat si pe proba sinterizata.

Difractie de raze X la proba calcinata

Difractie de raze X la proba sinterizata la 1000 C

Difractie de raze X la proba sinterizata la 1200 C

Prin analiza spectrelor de raze X, se observa ca produsul majoritar este hidroxiapatita pura, insa se gasesc si urme de hidroxiapatita deficitara in calciu.

CONCLUZII

In cursul acestui laborator s-a urmarit obtinerea hidroxiapatitei,un biomaterial cu numeroase aplicatii practice, si caracterizarea acesteia.

S-a obtinut un material cu o densitate si o rezistenta mecanica relativ scazute , datorate porozitatii ridicate .

In urma analizelor faza preponderenta este hidroxiapatita Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ , dar se mai regaseste in cantitate scazuta si o hidroxiapatita deficitara in calciu Ca_8.86(PO₄)₆(OH)₂ .

BIBLIOGRAFIE

• Bunea D., Materiale biocompatibile, Editura BREN Bucuresti, 1998;
• www.wikipedia.com;
• Reactii specifice formarii hidroxiapatitei nanometrice (raport de cercetare), Universitatea Politehnica din Bucuresti, Bucuresti 2008;
• Note de curs Biomateriale , Cristina Ghitulica.