Influência dos íons K+ e Mg2+ na obtenção de apatitas biomiméticas

Influence of ions K+ and Mg2+ in the attainment of biomimetic apatites

Influência dos íons K⁺ e Mg²⁺ na obtenção de apatitas biomiméticas

Influence of ions K⁺ and Mg²⁺ in the attainment of biomimetic apatites

A. H. Aparecida; M. V. L. Fook; M. L. dos Santos; A. C. Guastaldi

Instituto de Química , Unesp – Departamento de Físico-Química, Caixa Postal 355, 14801-970 Araraquara - SP

RESUMO

O crescimento da hidroxiapatita - HA, tanto no meio biológico quanto em soluções aquosas como a Synthetic Body Fluid - SBF, ocorre em meio contendo, além dos elementos Ca e P, elementos-traços essenciais tais como: Mg²⁺, HCO₃^-, K⁺ e Na⁺. Alguns destes elementos são conhecidos como inibidores do crescimento da HA, como Mg²⁺ e HCO₃^-. Neste trabalho, estudou-se a influência dos íons K⁺ e Mg²⁺ na formação de apatitas sobre substratos metálicos de Ti c.p. previamente tratados com NaOH 5M. Os efeitos destes íons no recobrimento obtidos, antes e após o tratamento térmico a 800ºC, foram analisados por microscopia eletrônica de varredura - MEV, espectroscopia de energia dispersiva de raios-X - EDX, difratometria de raios-X - DRX e espectroscopia no infravermelho - IV e mostraram que o efeito inibitório do Mg²⁺ na formação da HA se manifesta após o tratamento térmico. Diferentemente, o crescimento cristalino da HA não foi afetado pela presença do íon K⁺. Além disso, a formação de apatita carbonatada se deu também em soluções que não continham o íon CO₃^2- em sua composição.

Palavras-chave: apatitas biomiméticas; inibição da formação de HA; apatitas carbonatadas; magnésio; potássio.

ABSTRACT

The growth of the hydroxyapatite - HA, as much in the biological agent as in watery solutions as the Synthetic Body Fluid - SBF, occurs agent containing, beyond calcium and phosphate elements, essential element-traces such as: Mg²⁺, HCO₃^-, K⁺ and Na⁺. Some of these elements are known as inhibiting of the growth of the HA, as Mg²⁺ and HCO₃^-. In this work, it was studied the influence of ions K⁺ and Mg²⁺ in the formation of apatites, mainly of the HA, on metallic substrate of Ti c.p. previously treated with NaOH 5M. The effects of these ions in the obtained covering, before and after the thermal treatment at 800ºC, were analyzed by scanning electron microscopy - SEM, energy dispersive X-rays - EDX, X-ray diffractometer - XRD and Fourier transformation infrared - FT-IR, and they showed that the inhibitory effect of the Mg²⁺ in the formation of the HA happens after the thermal treatment. Differently, the crystalline growth of the HA was not affected by the presence of the K⁺ ion. Moreover, the carbonated apatite formation also happened in solutions that did not contain the CO₃^2- ion in its composition.

Key-words: biomimetic apatites; inhibition of HA formation; carbonated apatites; magnesium; potassium.

Introdução

Os biomateriais necessitam satisfazer simultaneamente vários requisitos, tais como: não-toxicidade, resistência à corrosão, condutividade térmica e biocompatibilidade. Contudo, uma única composição com uma estrutura uniforme não pode satisfazer todos estes requisitos [1]. Uma alternativa para o cumprimento simultâneo destes requisitos é a obtenção de materiais compósitos, combinando as propriedades mecânicas e físicas dos materiais bioinertes ou biotoleráveis com a propriedade biológica das biocerâmicas. A preparação e modificação de superfícies com recobrimentos, buscando a formação de compósitos de superfícies, tem despertado o interesse em explorar o potencial de métodos simples, que utilizam soluções aquosas e baixa temperatura (<100ºC) [2].

Dentre as técnicas de recobrimento o método Biomimético vem se destacando entre os demais, pois mimetiza o processo biológico de formação de tecidos duros. Inicialmente proposto por Kokubo et al. [3], utiliza uma solução denominada Synthetic Body Fluid - SBF de composição, temperatura e pH similares ao fluido corpóreo. Dentre as diversas vantagens apresentadas por este método, pode-se destacar a possibilidade de controle de espessura da camada, tamanho de grãos e diversidade de forma cristalina.

Além da hidroxiapatita - HA, que tem atraído a atenção de pesquisadores durante os últimos 30 anos devido à sua excelente biocompatibilidade e bioatividade [4], vários outros fosfatos de cálcio, tais como Fosfato octacálcico OCP [Ca₈H₂(PO₄)₆ .5H₂O], Monohidrogênio fosfato de cálcio dihidratado - DCPD [CaHPO₄.2H₂O], Hidroxiapatita deficiente em cálcio, também denominado de Fosfato de Cálcio Amorfo - ACP [Ca₃(PO₄)₂.nH₂O] e Fosfato tricálcico - TCP [Ca₃(PO₄)₂], também ocorrem em tecidos calcificados, o que vem despertado interesse significativo nas possibilidades de utilização como biocerâmica [5].

Das fases de apatita citadas, a HA é a fase mais estável termodinamicamente no meio fisiológico. Lu et al., baseados na teoria clássica de cristalização e utilizando diferentes SBF, observaram que a velocidade de nucleação do OCP é substancialmente mais alta que da HA, porém a HA é termodinamicamente mais estável em SBF, e a velocidade de nucleação destas fases torna-se comparável em pH 10. Além disso, a precipitação da fase DCPD só é termodinamicamente possível com o aumento da concentração iônica de cálcio e fósforo na solução [6].

O crescimento da HA, tanto no meio biológico quanto em soluções aquosas, ocorre em meio contendo, além de íons cálcio e fósforo, elementos-traços essenciais tais como: Mg²⁺, HCO₃^-, K⁺ e Na⁺. Alguns destes elementos são conhecidos como inibidores do crescimento da HA, como Mg²⁺ e HCO₃^- [7-8]. Barrere et al., utilizando-se diferentes SBF, concluíram que Mg²⁺ possui efeito inibitório maior no crescimento da HA do que HCO₃^- [9].

O objetivo deste trabalho foi analisar o efeito dos íons K⁺ e Mg²⁺ na formação de apatitas, particularmente da HA, em substratos metálicos de Ti c.p. previamente tratados com solução de NaOH 5M. Os recobrimentos obtidos foram submetidos a tratamento térmico à 800ºC para analisar a evolução da cristalinidade e transformações das fases formadas.

Materiais e métodos

Amostras de Ti c.p. foram lixadas com lixas d'água de granulometria 80 mesh, limpas em ultra-som por 15 minutos em mistura de acetona e álcool etílico e 15 minutos em água desmineralizada. Logo após, foram colocadas em solução de NaOH 5M por 24 horas em estufa a 60ºC e, então, secas por 3 horas, também em estufa a 60ºC, sem controle atmosférico. Para analisar o efeito dos íons K⁺ e Mg²⁺, quatro diferentes SBF foram preparadas, com reagentes de grau analítico e água desmineralizada, como mostra a tabela 1.

As amostras foram mantidas em SBF a 37ºC por 7 dias. Os recobrimentos obtidos foram analisados antes e após o tratamento térmico a 800ºC utilizando-se as técnicas de microscopia eletrônica de varredura MEV, realizada no microscópio JEOL-JSM, modelo T-330 A, acoplado a um EDX , difratometria de raios X DRX, utilizando um difratômetro de raios X SIEMENS D5000 com varredura angular entre 10 e 70º com passo de 0,02 (2q), sendo que o tempo de passo foi de 1,0 segundos para cada amostra, e espectroscopia no infravermelho IV, com espectrômetro Perkin Elmer, FT-IR Spectrometer-Spectrum 2000 de reflectância difusa Drift Collector. As fases presentes foram comparadas com as fichas padrões do JCPDS [10].

Resultados e discussão

Recobrimento por SBF 0

Por imersão em SBF 0, obteve-se sobre a superfície do Ti c.p. um recobrimento compacto e de grãos esféricos com trincas de aproximadamente 10 mm. Por EDX nota-se que o recobrimento é composto somente pelos elementos Ca e P, numa razão Ca/P de 1,45. A caracterização por DRX mostrou que este recobrimento é composto por uma mistura de fases correspondentes a OCP e ACP. O espectro vibracional de IV mostrou bandas características de grupos PO₄ em 387, 646, 984 e 1144 cm^-1 e P-OH em 515 cm^-1. Além destas bandas, bandas características de apatita carbonatada do tipo B apareceram em1464 cm^-1 além da banda em 876 cm^-1 que pode ser atribuída também ao grupo P-OH [9, 11-12], figura 1. Existem dois tipos de apatitas carbonatadas, as quais são sensíveis ao tipo de substituição do grupo CO₃²: tipo A, que substitui os íons OH^-, e tipo B que substitui os íons PO₄ [13].

O tratamento térmico a 800ºC não alterou significantemente a morfologia do recobrimento, contudo, a cristalização ocorrida levou à diminuição das trincas a aproximadamente 7 mm. A presença dos elementos Ca e P passou a uma razão de 1,55. Por DRX observou-se que após o tratamento térmico o recobrimento passou a ser composto pela mistura de fases de HA, TCP e apatita carbonatada do tipo A. Além destas fases, foram identificados picos característicos do composto Ca_2,81Mg_0,19(PO₄)₂ e de TiO₂, este último devido à oxidação do Ti c.p. O espectro vibracional de IV mostrou além das bandas referentes aos grupos PO₄ (em 466, 581, 960 e 1182 cm^-1) e P-OH (em 890 e 1104 cm^-1), bandas referentes à apatita carbonatada do tipo A [9, 11-12]. Contudo, o aparecimento das bandas característica do grupo OH^- da HA em 630 e 3579 cm^-1, mostra que a substituição deste íon pelo carbonato não foi completa, figura 2.

Recobrimento por SBF 1

O recobrimento obtido por imersão em SBF 1 apresentou morfologia característica de fase amorfa de fosfato de cálcio, composta por grãos esféricos [13]. A presença dos elementos Ca e P se deu numa razão de 1,4. Por DRX observou-se que além da fase amorfa do fosfato de cálcio, a fase OCP também estava presente no recobrimento. O espectro vibracional de IV confirmou os resultados obtidos por DRX, pois apresentou bandas características dos grupos PO₄ (em 662 e 1301 cm^-1) e P-OH (em 1045 cm^-1) e da fase amorfa de fosfato de cálcio (em 573 cm^-1). Além destas bandas, o recobrimento apresentou bandas referentes à apatita carbonatada tanto do tipo A (em 1557 cm^-1) quanto do tipo B (em 1409 e 1468 cm^-1) [9, 11-12], caracterizando então uma apatita carbonatada do tipo AB [14]. Mesmo a solução SBF 1 não contendo estes íons em sua composição, a presença de apatita carbonatada no recobrimento é possível pela reação entre os íons OH^- da apatita com CO₂ do ar, durante o período de imersão, figura 3.

A morfologia do recobrimento após o tratamento térmico a 800ºC apresentou significante mudança. A razão Ca/P foi de 2,14. Por análise de DRX observou que o recobrimento é composto majoritariamente da fase OCP, explicando a alteração da morfologia, pois nesta temperatura a fase amorfa de fosfato de cálcio sofre transformação. O espetro vibracional de IV confirmou a presença somente desta fase no recobrimento, pois apresentou picos referentes somente aos grupos PO₄ e P-OH, respectivamente em 465 e 544 cm^-1 e 918-1104 cm^-1 [9, 11-12], figura 4.

Recobrimento por SBF 2

Por imersão em SBF 2, obteve-se um recobrimento com morfologia característica das fases amorfa de fosfato de cálcio e OCP, resultado este confirmado por DRX que mostrou a presença de somente estas fases. A razão Ca/P foi de 1,35. O espectro vibracional de IV apresentou bandas características dos grupos P-OH no intervalo de 1000-1104 cm^-1 e PO₄ em 573 cm^-1, que pode ser também atribuída à fase amorfa de fosfato de cálcio, confirmando os resultados obtidos por DRX [9, 11-12]. Bandas de apatita carbonatada do tipo A apareceram em 1457 e 1528 cm^-1, figura 5.

Os resultados obtidos por DRX do recobrimento após o tratamento térmico mostram uma mistura de fases de b- TCP, OCP, fosfato de magnésio [Mg₃(PO₄)₂] e b-Ca_2,59Mg_0,41(PO₄ )₂. O aparecimento do dois últimos componentes após o tratamento térmico acarreta a ausência de HA, pois o fosfato de magnésio, que possui temperatura de cristalização a partir de 600ºC [15], representa um papel de inibidor da conversão de fosfatos de cálcio a HA, atuando como inibidor da hidrólise do OCP [10]. A razão Ca/P foi de 1,50. O espectro vibracional de IV apresentou bandas referentes aos grupos PO₄ em 475 cm^-1, P-OH em 1055 cm^-1, fase amorfa em 554 cm^-1 e apatita carbonatada do tipo B em 1468 cm^-1 [9, 11-12], figura 6.

Recobrimento por SBF 3

O recobrimento obtido por imersão em SBF 3 apresentou morfologia predominante de fosfato de cálcio amorfo, resultado este confirmado por DRX. A razão Ca/P foi de 1,42. O espectro vibracional de IV apresentou bandas características dos grupos P-OH em 944-1119 cm^-1, PO₄ em 573 cm^-1 [9, 11-12], que pode ser atribuída também à fase amorfa de fosfato de cálcio, e apatita carbonatada do tipo A em 1457 e 1528 cm^-1, figura 7.

A morfologia do recobrimento após tratamento térmico apresentou significante alteração, indicando a ocorrência de transformação de fases. A razão Ca/P obtida foi de 1,68. Os resultados de DRX mostraram a presença de HA e b-TCP. O espectro vibracional de IV apresentou bandas características dos grupos PO₄ em 475 cm^-1 e OH da HA em 635 cm^-1 [9, 11-12], figura 8.

Conclusões

Os recobrimentos obtidos sem o tratamento térmico em todas as soluções SBF tiveram a mesma composição de apatita, variando somente quanto ao tipo de substituição dos íons carbonato. Contudo, após o tratamento térmico, o crescimento cristalino da HA foi inibido pela ausência dos elementos traços e pela cristalização de Mg₃(PO₄)₂. A formação de HA não foi influenciada pelo íon K⁺. A composição das fases de apatitas formadas, aliada às condições experimentais, possibilitou a formação de apatita carbonatada do tipo A mesmo nas soluções onde o íon HCO₃^- não estava presente. O tratamento térmico das amostras também favoreceu a formação de TiO₂ devido à oxidação do Ti c.p.

Recebido em: 06/07/2005

Aceito em 05/10/2005

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  06 Fev 2006
• Data do Fascículo
  2005

Histórico

• Recebido
  06 Jul 2005
• Aceito
  05 Out 2005