BIOCERÂMICAS PARA IMPLANTES BUCO-MAXILO-CRÂNIO … · misturados formam uma pasta que endurece espontaneamente à temperatura ambiente ou corporal. O objetivo deste presente trabalho

BIOCERÂMICAS PARA IMPLANTES BUCO-MAXILO-CRÂNIO-FACIAL – CIMENTOS DE FOSFATO DE CÁLCIO

C. V. Leal(1); M. Motisuke(2); C. S. Lambert(3); C. A. C. Zavaglia(4)

C. P. 6122, 13081-970, Campinas (SP), Brasil, [email protected] (1, 2,4) Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas

(3) Instituto de Física, Universidade Estadual de Campinas RESUMO A necessidade de novos materiais capazes de restaurar problemas ósseos cresce a

cada dia. Os cimentos ósseos a base de fosfato de cálcio são materiais cerâmicos

que apresentam boa biocompatibilidade devido a sua composição química

semelhante à dos ossos, e, boa bioatividade, promovendo a osteocondução.

Cimentos ósseos de fosfato de cálcio consistem de um pó e um líquido. O pó pode

ser composto por um ou vários fosfatos de cálcio, outros sais de cálcio e certos

aditivos orgânicos. Por sua vez, o líquido pode ser soluções aquosas de compostos

de cálcio ou fosfato, podendo também conter aditivos orgânicos. Após serem

misturados formam uma pasta que endurece espontaneamente à temperatura

ambiente ou corporal. O objetivo deste presente trabalho é a obtenção e a

caracterização do β-Tricálcio Fosfato e Tetracálcio Fosfato (TTCP), materiais

cerâmicos que, posteriormente, serão utilizados na composição de cimentos ósseos

a base de fosfato de cálcio.

Palavras-chaves: biocerâmicas, biomateriais, tetracálcio fosfato, β-tricálcio fosfato, cimentos ósseos. INTRODUÇÃO

1 - Biomateriais Os biomateriais podem ser definidos como substâncias de origens naturais ou

sintéticas que são toleradas de forma transitória ou permanente pelos diversos

tecidos que constituem os órgãos dos seres vivos. Eles são utilizados como um todo

ou parte de um sistema que trata, restaura ou substitui algum tecido, órgão ou

função do corpo, ou ainda como um material não viável utilizado em um dispositivo

Anais do 48º Congresso Brasileiro de Cerâmica Proceedings of the 48th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society

28 de junho a 1º de julho de 2004 – Curitiba-PR

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médico, com intenção de interagir com sistemas biológicos(1). O estudo de

biomateriais envolve o entendimento das propriedades, funções e estruturas dos

materiais biológicos, dos materiais sintéticos e da interação entre eles(2 ).

Para que um material possa ser classificado como biomaterial devem ser

satisfeitas algumas características fundamentais:

Biocompatibilidade, ou seja, o material implantado e seus produtos de

degradação devem ser tolerados pelos tecidos envoltórios e não devem causar

disfunções no organismo, ao longo do tempo;

O material deve ser quimicamente inerte e estável;

Biofuncionalidade, ou seja, o material deve atender às características

mecânicas necessárias para cumprir a função desejada, pelo tempo que for

necessário;

O material deve ser de fácil esterilização;

A escolha de um biomaterial envolve, além das características já citadas, a sua

melhor adaptação à determinada aplicação e o seu custo de produção.

2 – Biomateriais Cerâmicos O gesso (CaSO4.1/2H2O) foi, em 1894, a primeira cerâmica utilizada como

biomaterial para substituir ossos(3). Porém, esse material apresenta uma resistência

mecânica muito baixa e é completamente reabsorvido pelo organismo, resultando

em uma rápida fragmentação e degradação, sua utilização como biocerâmica

implantável foi logo descartada.

A década de 70 marcou o início do uso mais intenso de materiais cerâmicos

com propriedades que possibilitam a sua classificação como biocerâmicas.

Inicialmente, esperava-se que as biocerâmicas provocassem pouca ou nenhuma

reação no tecido, características destes materiais em meios agressivos. Mas o

desenvolvimento do conhecimento na área dos biomateriais gerou uma nova

proposta: as biocerâmicas deveriam provocar reações de formação de tecido e, se

possível, com a formação de uma ligação íntima entre estas e os tecidos.

A primeira biocerâmica com uso muito difundido até hoje é a alumina densa (α-

Al2O3), que se apresenta como bioinerte. Este material, devido a sua boa

biocompatibilidade e elevada resistência mecânica, vem sendo usado em próteses

ortopédicas que substituem ossos ou parte deles que são submetidos a esforços

elevados(1,4). As propriedades dos materiais cerâmicos são, em geral: elevada



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dureza, baixa condutividade térmica e elétrica, estabilidade dimensional e de forma,

quimicamente inerte, refratariedade, fragilidade, alto ponto de fusão, resistência

mecânica, à corrosão e ao desgaste e baixa tenacidade à fratura.

3 – Cerâmicas de Fosfato de Cálcio(5)

Em função das cerâmicas de fosfato de cálcio serem formadas basicamente de

íons fosfato e cálcio, estas podem participar ativamente do equilíbrio iônico entre o

fluido biológico e a cerâmica, pois possuem composição química muito semelhante à

fase mineral dos ossos e esmalte de dentes. Sendo assim, apresentam um perfil

biológico altamente atrativo, que inclui ausência de toxidade local ou sistêmica,

ausência de resposta inflamatória ao implante, ausência da formação de um tecido

fibroso envoltório, grande habilidade de ligar-se diretamente ao osso, conseguindo

fornecer um grau de integridade estrutural a fim de manter o implante no lugar e

intacto até que o novo osso cresça, estimula o crescimento de um novo osso e é

solúvel podendo ser reabsorvido pelo organismo permitindo que o novo osso

substitua o implante.

A propriedade mais importante destes compostos é a sua solubilidade, pois,

assim, o comportamento de um implante de fosfato de cálcio pode ser premeditado.

Logo, se a solubilidade de um fosfato de cálcio é menor que a parte mineral do osso,

então este irá degradar com uma velocidade pequena.

Quase todos os estudos realizados com fosfatos de cálcio mostraram uma

resposta muito positiva in vivo. Blocos e grãos de HA vêm sido estudados

extensivamente como implantes ortopédicos e dentários em animais, incluindo

primatas, cachorros, coelhos e ratos. Os resultados são satisfatórios sem nenhum

relato de respostas adversas.

A biodegradação dos fosfatos de cálcio é dependente da sua composição

química/ cristalina e do meio fisiológico que será submetido. Existem dois tipos de

reabsorção biológica, a primeira é devida à solubilidade do implante ao meio

fisiológico e a segunda devida à fagocitose sofrida pelo implante. O fosfato de cálcio

mais reabsorvível é o tricálcio fosfato (TCP).

A forma mais utilizada de classificação destes materiais é de acordo com sua

razão Ca/P que pode variar de 0,50 a 2,00, alguns exemplos estão nas tabelas I e II.



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Tabela I - Compostos de fosfato de cálcio sintetizados por precipitação em meio aquoso(5)

FOSFATOS DE CÁLCIO FÓRMULA CA/P SÍMBOLODiidrogenofosfato de cálcio monoidratado Ca(H2PO4)2.H2O 0,50 MCPM Hidrogenofosfato de cálcio (monetita) CaHPO4 1,00 DCP Hidrogenofosfato de cálcio dihidratado (brushita) CaHPO4.2H2O 1,00 DCPD

Fosfato octacálcico Ca8H2(PO4)6.5H2O 1,33 OCP Hidroxiapatita precipitada Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x 1,50 - 1,67 PHA Fosfato de cálcio amorfo n= 3-4,5 ; 15-20% H2O Ca3(PO4)2.nH2O 1,50 ACP

Tabela II - Compostos de fosfato de cálcio sintetizados por decomposição ou síntese térmica(5)

FOSFATOS DE CÁLCIO FÓRMULA CA/P SÍMBOLO Diidrogenofosfato de cálcio Ca(H2PO4)2 0,50 MCP

α-Fosfato tricálcio α-Ca3(PO4)2 1,50 α-TCP β-Fosfato tricálcio β-Ca3(PO4)2 1,50 β-TCP

Hidroxiapatita Ca5(PO4)3OH 1,67 HA Fosfato tetracálcio Ca4(PO4)2º 2,00 TTCP

MATERIAIS E MÉTODOS O presente trabalho divide-se em três partes.

1 - Obtenção β-Tricálcio Fosfato (β-TCP):

O seguinte método foi utilizado(6):

- Foram misturados CaO e água destilada em balão de vidro com agitação

magnética constante para obtenção de hidróxido de cálcio, Ca(OH)2:

CaO + H2O → Ca(OH)2

- À solução obtida de Ca(OH)2 foi adicionado ácido fosfórico, H3PO4, 0,4M para

a formação de hidroxiapatita deficiente de cálcio (HADC):

9 Ca(OH)2 + 6 H3PO4 → Ca9(HPO4)(PO5)OH + 17H2O

- Posteriormente o composto foi filtrado, seco em estufa e calcinado a 1120°C,

obtendo-se assim o β-TCP:

Ca9(HPO4)(PO5)OH → 3Ca3(PO4)2 + H2O

2 - Obtenção do Tetracálcio Fosfato (TTCP):

O TTCP foi obtido pela seguinte reação:

4 CaCO3 + 2 NH4H2PO4 → Ca4(PO4)2O + 2 NH3 + 4 CO2 + 3 H2O.

Sendo que o seguinte método foi empregado:

Cada reagente, em proporção molar 2:1, foi dissolvido separadamente em água

destilada e depois ambos misturados sob agitação magnética durante 2 horas. A

solução resultante foi deixada em repouso em estufa até toda que a água



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evaporasse. O pó resultante foi colocado em cadinhos de alumina e calcinado à

temperatura de 1360º C durante 6 horas, partindo o forno da temperatura de

aproximadamente 850º.

Após a calcinação, a amostra recebeu resfriamento brusco sendo que os

cadinhos foram colocados sobre uma placa de aço à temperatura do laboratório.

3 – Analise Físico-Química dos materiais

3.1 - Distribuição Granulométrica

A distribuição granulométrica dos pó de TTCP e β-TCP foi determinada com o

aparelho Mastersizer da Malvern, modelo S-MAM 5005, utilizando álcool isopropílico

como meio de dispersante, sendo que o tamanho das partículas é determinado por

espalhamento de luz (laser, λ = 488nm). Esse método é utilizado para partículas

com diâmetros entre 0,5µm até 350µm.

3.2 - Difração de Raios-X

Esta técnica de caracterização permite obter informações detalhadas sobre

dimensões, presença de defeitos e orientação da rede cristalina. O uso de raios-X

no estudo de cristais deve-se ao fato de que esta radiação tem comprimento de

onda próximo aos valores de distâncias entre planos cristalinos. Foi utilizado o

equipamento da marca Rigaku, modelo DMAX 2200, com radiação de CuKα, filtro de

Ni, 20kV, 40mA. O intervalo angular utilizado (2θ) foi de 20 a 40°, com velocidade de

3°.min-1.

3.3 - Microscopia Eletrônica de Varredura

A análise por microscopia eletrônica de varredura é um processo muito versátil,

pois revela informações sobre a composição, tipo de grãos e fases presentes de

uma grande variedade de amostras. Essa versatilidade é devida à interação entre

um feixe de elétrons e a amostra. O equipamento utilizado para caracterização dos

materiais foi o Microscópio Eletrônico de Varredura marca LEO, modelo LEO 440I.

A preparação de amostras em forma de pó utiliza fitas adesivas de dupla face.

O pó é colocado sobre um pedaço de fita, retirando-se o excesso. Quando o material

a ser observado não é condutor, como os cerâmicos, é necessário realizar uma

metalização (“sputtering”) com a deposição de uma camada de ouro para que estas

se tornem condutoras. Para metalizar as amostras utilizamos o aparelho Sputter

Coater, marca BAL-TEC, modelo SCD 050.



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RESULTADOS E DISCUSSÕES

1 – Síntese e Caracterização do β-TCP

Na síntese do β-TCP, verificou-se que a quantidade de ácido fosfórico, H3PO4,

adicionado é determinante para a formação de uma fase mais pura de β-TCP. Isso

pode ser comprovado pela análise dos difratogramas apresentados nas figuras 1, 2

e 3. Quando a adição de H3PO4 ocorre em excesso, há a formação de hidroxiapatita,

HA. Porém, quando o ácido fosfórico é adicionado em menor quantidade, ocorre a

formação de pirofosfato de cálcio, Ca2P2O7. Assim, para que a fase de β-TCP

formada seja a mais pura possível, deve-se adicionar 1L de solução de H3PO4

quando a concentração for de 0,4 mol.L-1, sendo após o preparo da solução, a

concentração da mesma deve ser determinada por meio de titulação

potenciométrica.

Figura 1 - Difratograma de Raios-X de β-TCP em pó: o: β-TCP; ∆ : Hidroxiapatita, excesso de

H3PO4

Figura 2 - Difratograma de Raios-X de β-TCP em pó: o: β-TCP; �: Ca2P2O7, falta de H3PO4.



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Figura 3 - Difratograma de Raios-X de β-TCP – não há formação de Hidroxiapatita e Ca2P2O7

A análise granulométrica do β-tricálcio fosfato após moagem em moinho de

jarros com bolas de zircônia e alumina como meio de moagem durante 6 horas

apresentou um diâmetro médio de 5,82 µm, sendo que a grande maioria (90% em

volume) está compreendida abaixo da faixa de 35,5 µm, evidenciando uma

distribuição irregular dos grãos como pode-se observar nas figuras 4 e 5.

Figura 4 - Distribuição Granulométrica do β-TCP



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Figura 5 - Micrografia Eletrônica de Varredura do β-TCP em pó com aumento de 10.000 vezes

2 – Síntese e Caracterização do TTCP

Na síntese do TTCP, a temperatura inicial do forno utilizado para a calcinação é

o que determina a formação de TTCP como fase majoritária. Ou seja, quando o

forno parte da temperatura ambiente, ocorre a formação de hidroxiapatita, porém

partindo de uma temperatura de cerca de 850o C, a fase majoritária formada é o

TTCP, conforme os difratogramas apresentados nas figuras 6 e 7.

Figura 6 - Difratograma de raios-x da HA obtida partindo da temperatura ambiente.



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Figura 7 - Difratograma do TTCP obtido com o forno partindo da temperatura de 850°C.

O aparecimento da fase HA em ambos os métodos pode apresentar duas

explicações:

1. A reação formação do TTCP que ocorre com a formação de HA por meio das

reações(8):

2NH4H2PO4 + 4CaCO3 CaO + β-Ca3(PO4)2 + 2NH3 + 3H2O + 4CO2

A segunda reação só é possível uma vez que o CaO absorve a água da atmosfera

transformando-se em Ca(OH)2:

3β-Ca3(PO4)2 + 3Ca(OH)2 Ca10(PO4)6(OH)2 + CaO + 2H2O

Assim, forma-se o TTCP:

Ca10(PO4)6(OH)2 + CaO 3Ca4P2O9 + H2O

2. O choque térmico foi realizado a atmosfera, o que pode levar a absorção de água

e a formação de HA. Estudos realizados com atmosferas inertes mostraram a

formação de um TTCP puro(2).

Em comparação com outros métodos empregados na síntese do TTCP(2), o

método empregado neste projeto, dá origem a um material de maior cristalinidade,

isso é comprovado pela observação da maior intensidade e menor largura dos picos

apresentados no difratograma da figura 3. Esta maior cristalinidade pode ser

explicada por uma menor reatividade dos componentes envolvidos na reação, que

evita a formação de uma fase líquida (amorfa) durante a sinterização do TTCP.

A granulometria do TTCP após moagem em moinho de jarros com bolas de

zircônia como meio de moagem durante 2 horas apresentou um diâmetro médio de

6,37 µm, apresentando uma distribuição entre 0,08 a 41,43 µm, sendo que a grande

maioria (90% em volume) está compreendida abaixo da faixa de 17,7 µm, mostrando



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uma distribuição não muito regular dos grãos, como mostrado na figura 8. Uma

granulometria muito pequena não garante um aumento nas propriedades mecânicas

do cimento(9), além de levar a uma maior relação pó/líquido necessária para a

síntese de uma pasta de consistência adequada para a síntese do cimento. A

micrografia eletrônica de varredura da figura 9 mostra que os grãos estão

interligados e com tamanhos não tão uniformes.

Figura 8 - Distribuição Granulométrica do TTCP

Figura 9 - Micrografia Eletrônica de Varredura do TTCP com aumento de 10.000 vezes

CONCLUSÕES Com os métodos descritos neste trabalho foi possível obter β-tricálcio fosfato e

do tetracálcio fosfato com boa qualidade para a posterior utilização na síntese de

cimentos ósseos a base de fosfatos de cálcio.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS



10

1. WILLIANS, D.F. Definitions in Biomaterials, Progress in Biomedical

Engineering, vol. 4, 1987.

2. SANTOS, L.A. Desenvolvimento de Cimento de Fosfato de Cálcio

Reforçado por Fibras para Uso na área Médico-Odontológica, Tese de

Doutorado, FEM-UNICAMP, Brasil 2002.

3. Dreesman, H Veber Knochemplomberiung. Beitr. Klin. Chir., vol.9, pp.

804-810, 1892.

4. KAWACHI, E.I., BERTRAN, C.A., REIS, R.R., ALVES, O.L.; Biocerâmicas:

Tendências e Perspectivas de uma Área Interdisciplinas, Química Nova,

23(4), pp. 518-522, 2000.

5. VANDERSCHOOT, P.; Treatment Options and Development of a

Vertebral Replacement Implant. Tese de Doutorado, Universidade Católica de

Leuven, Holanda, 2002.

6. CARRODEGUAS, R.G., ALONSO, L.M., GARCÍA-MENOCAL, J.A.D.,

ALONSO, L.M., MOLINS, M.P.G., MANENT, S.M., MUR, J.G., PÉREZ, J.T.,

ESTANY, J.A.P.; Hydrothermal Method for Preparing Calcium Phosphate

Monoliths, Material Research, Vol.6, Nº3, 2003.

7. CARRODEGUAS, R.G. Cementos Óseos de Fosfatos de Cálcio. Tesis de

Doctorado, Centro de Biomateriales-Universidad de la Habana. Habana,

Cuba, 2000.

8. SARGIN, Y.; KIZILYALLI, M.; TELLI, C.; GÜLER, H.; A New Method for

the Solid-State Synthesis of Tetracalcium Phosphate, a Dental Cement: X-Ray

Powder Diffraction and IR Studies; Journal of the European Ceramic Society;

n° 17; pp. 963-970; 1997.

9. CHOW, L. C.; TAKAGI, S.; A Natural Bone Cement – A Laboratory

Novelty Led to the Development of Revolutionary New Biomaterial; Journal of

Research of the National Institute of Standards and Technology; vol. 106, n°

6; pp. 1029-1033; 2001.

CALCIUM PHOSPHATE CEMENT BIOCERAMICS FOR MAXILLA-FACIAL IMPLANTS



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ABSTRACT

There is nowadays an increasing need of new materials for bone repair and

reconstruction. Among these, calcium phosphate bone cements (CPCs) are ceramic

compounds that exhibit a series of advantages for use in orthopedics and

traumatology: they are biocompatible, bioactive and allow for osteoconduction.

Because of this it is possible to use these materials as bone implants and fillers.

Calcium phosphate bone cement consists of a powder and a liquid. The powder can

be composed of one or more calcium phosphates, other calcium salts and certain

organic additives. In turn, the liquid phase can be composed of water or aqueous

solutions that also can contain certain organic additives. When mixed, the powder

and the liquid form a paste that hardens spontaneously at room or body temperature.

The main purpose of this work was the synthesis and characterization of β-Tricalcium

Phosphate (β-TCP) and Tetracalcium Phosphate (TTCP), as important ingredients of

CPC powders.

Key words: bioceramics, biomaterials, tetracalcium phosphate, β-tricalcium

phosphate, bone cements.



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