HIDRÓLISE DE CIMENTO ÓSSEO DE FOSFATO DE CÁLCIO DE DCPD PARA OBTENÇÃO DE HA

B.C.Juncioni(1) ; B.D. Carraro(1); E.C.S Rigo(2);R.G. Carrodeguas(3);

A.O.Boschi(1).

Rod. Washington Luiz, Km 235- Caixa Postal 676 CEP 13565905 São Carlos-SP.

brunojuncioni@yahoo.com.br

(1) Dema/Biolab, Universidade Federal de São Carlos (UFSCar).

(2) PPG-ECM, Universidade São Francisco (USF).

(3) Centro de Biomateriais, Universidade de Havana, Cuba (Universidade de

Havana).

RESUMO

Nos cimentos ósseos de fosfato de cálcio (CFCs) se combinam a

biocompatibilidade, bioatividade e osteocondutividade das biocerâmicas de fosfatos

de cálcio, com propriedades típicas dos materiais tipo cimento, tais como

moldeabilidade, capacidade de dar pega in situ e injetabilidade. Dentre os diversos

tipos de cimentos pesquisados, sobressaem por sua simplicidade e facilidade de

obtenção os cimentos de hidrogeno fosfato de cálcio dihidratado (DCPD), porém

esse cimento possui uma elevada bioreabsorção e acidez. Uma possibilidade de

utilização desse material é que o mesmo, uma vez moldado pode ser submetido a

um processo de hidrólise, para a transformação na fase hidroxiapatita (HA), visando

sua utilização como material para a área de crâniobucomaxilofacial. Dessa forma o

presente trabalho estudou a eficiência e o efeito da etapa de hidrólise sobre uma

formulação de CFC de DCPD, mediante caracterização por difração de raios X,

medida de pH e microscopia eletrônica de varredura. PALAVRAS-CHAVE: Cimento ósseo de fosfato de cálcio, Hidrólise, Hidroxiapatita.

1

INTRODUÇÃO

As biocerâmicas de hidroxiapatita (HA), β-fosfato tricálcico (β-TCP) e bifásicas

(HA+β-TCP–BCP) são extensamente utilizadas na reparação de defeitos ósseos.

Entretanto, sua implantação, especialmente utilizada em sítios, acaba sendo

comprometida em decorrência da forma em que são utilizados (1). Esses materiais

normalmente são encontrados na forma de blocos pré-fabricados ou grânulos. Os

blocos pré-fabricados têm tamanhos e formas pré-estabelecidos, tornando difícil sua

adaptação no local de implantação, no caso dos grânulos a maior dificuldade

encontra-se na sua manipulação e na ocorrência da migração desses grânulos.

Em meados da década de 80 surgiu um novo tipo de biomaterial conhecido

como cimento de fosfato de cálcio. Estes cimentos são constituídos por um pó e um

líquido, de tal maneira que ao se misturarem formam uma pasta moldável que

endurece e dá pega em um determinado tempo, como resultado da precipitação de

cristais de fosfato de cálcio (2).

Nos CFCs se combinam a biocompatibilidade, bioatividade e

osteocondutividade(3) das biocerâmicas de fosfatos de cálcio, com propriedades

típicas dos materiais tipo cimento, tais como a moldeabilidade, a capacidade de dar

pega in situ e a injetabilidade. Desta forma, solucionam-se os problemas de fixação

e adaptação ao sítio de implantação associada ao emprego das biocerâmicas de

fosfatos de cálcio, ainda que se manifestem os inconvenientes associados a pobre

resistência mecânica.

A similaridade química entre a composição do cimento e a parte mineral dos

tecidos ósseos permite a osteocondutividade, sendo o cimento substituído por tecido

ósseo novo. Esse tipo de material é um substituto sintético dos ossos, com

vantagem de não ter reação patogênica que poderiam infectar o paciente (3).

As principais propriedades que caracterizam um CFC são o tempo de pega,

resistência mecânica (4), porosidade, solubilidade e velocidade de reabsorção in vivo.

Estas propriedades são afetadas por diversos parâmetros, de modo que se possa

desenhar uma ampla gama de materiais com diferentes comportamentos mediante a

variação desses parâmetros.

Dentre os diversos tipos de cimentos de fosfato de cálcio pesquisados,

sobressaem por sua simplicidade e facilidade de obtenção de seus componentes,

2

aqueles constituídos por um pó de β-TCP e uma solução aquosa de ácido orto-

fosfórico. Nestes cimentos a reação de pega é:

(A)

O cimento endurecido é composto por hidrogeno fosfato de cálcio dihidratado-

CaHPO4.2H2O (DCPD) (4), (5).

Os principais inconvenientes deste cimento são sua elevada velocidade de

biodegradação e sua acidez, a qual pode causar dano celular nos tecidos

adjacentes.

Mediante hidrólise dos corpos de prova de CFC, pode-se converter a fase

majoritária presente, DCPD, em HÁ (6). Esta conversão é interessante, pois a HA é

mais insolúvel e possui menor reabsorção em vivo que o DCPD, além de possuir pH

quase neutro, diferentemente do DCPD que possui caráter ácido (7).

A reação de hidrólise do CFC se processa da seguinte maneira:

(B)

Uma possibilidade de utilização desse material é, que o mesmo uma vez

moldado, e submetido ao processo de hidrólise, para a transformação na fase

hidroxiapatita (HA), possa ser utilizado como material na área de

crâniobucomaxilofacial. Dessa forma o presente trabalho estudou a eficiência e o

efeito da etapa de hidrólise sobre uma formulação de CFC de DCPD, utilizando

caracterização por difração de raios X, medida de pH e microscopia eletrônica de

varredura.

) s ( O 2 42.ac)(43) s( 2 ) 4O 3 H2 .CaHPO3OH6POHP( Ca− β + + →

OH18POH4)OH()PO(CaOH2.CaHPO10 2.)ac(43)s(26410)s(24 ++→

3

MATERIAIS E MÉTODOS

Obtenção de β-fosfato tricálcico (β-TCP)

A fase β-TCP foi obtida da mistura de hidrogenofosfato de cálcio anidro

(CaHPO)4 e hidroxiapatita (HA), em um moinho de bolas de zircônia por 1 hora.

Posteriormente a mistura foi tratada termicamente a 1150ºC por 8 horas em

atmosfera normal. Após o resfriamento, a amostra foi desaglomerada em almofariz

de ágata e passada por peneira (#80).

A equação a seguir resume a etapa de obtenção do material de partida (β-TCP)

utilizado para a obtenção do cimento ósseo de fosfato de cálcio.

HA+ CaHPO →β-TCP+H2O .(C)

Após sua obtenção, caracterizou-se o pó de β-TCP através de análise de

difração de raios X.

Obtenção do cimento ósseo de fosfato de cálcio

O cimento de fosfato de cálcio foi obtido da mistura entre a parte líquida,

composta por H2O, H3PO4 e ácido cítrico, este último utilizado como retardador do

tempo de pega, com o pó (β-TCP) na proporção de 0,8 mL de líquido para cada

grama do pó.

Com a pasta obtida preencheram-se as cavidades do molde de PVC (20mm

diâmetro externo e 17mm diâmetro interno), previamente engraxados com vaselina.

Após o tempo necessário para o endurecimento da pasta, os corpos de prova

moldados foram colocados em dessecador úmido por 1 hora.

Transcorrido este período, retiraram-se os moldes, deixando os corpos de

provas secando ao ar durante 24 horas.

Hidrólise do cimento ósseo

Para a etapa de hidrólise os corpos de provas foram pesados e colocados em

um erlenmeyer com tampa, em seguida foi adicionada uma solução de NaOH

4

(0,36M), em mL, igual a 10 vezes a massa das peças em g, colocando-o em uma

incubadora com agitação durante 48h, com temperatura aproximadamente de 60 ºC.

Ao fim das 48h, retirou-se os corpos de prova, lavando-os com água e depois

com acetona, e foram secos ao ar em temperatura ambiente.

A etapa de hidrólise se processa de acordo com a equação (B).

Caracterização do CFC

Difração de raios X

A composição qualitativa das fases cristalinas presentes no CFC foi

determinada diretamente no pó, mediante a técnica difratometrica de raios X,

utilizando-se um difratômetro Siemens D 5005 (Diffract Plus Software) com radiação

CuKα, com filtro de Ni, 40 kV e 40mA e intervalo de 5 a 40º, com velocidade de

varredura 2º/min.

Determinação pH

O pH do cimento foi determinado em água destilada e deionizada a 37o C.

Inicialmente os corpos de provas foram mantidos a temperatura ambiente e em

condição de 100% de umidade por um período de 24h. Ao fim deste período os

corpos de prova foram imersos em água destilada e deionizada (pH inicial 6,07), em

um frasco de poliestireno tampado, com uma relação de 10 ml de água para cada g

do cimento.

Manteve-se o frasco durante 24 h a 37oC e ao fim do período determinou-se o

pH utilizando-se um pHmetro Analion PM 608 .

5

Microscopia Eletrônica de Varredura

As amostras dos cimentos não hidrolisados e hidrolisados foram recobertas

com ouro e examinadas em um microscópio eletrônico de varredura ZEISS DSM

940A, com um analisador EDS acoplado Link Analytical NA 10/55 S.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Caracterização do β-fosfato tricálcico (β-TCP)

Analisando-se o difratograma relativo ao pó de β-TCP (figura 1), observa-se a

presença além da fase β-TCP uma fase remanescente de HA. Essa fase

remanescente é em decorrência do processo de obtenção de β-TCP (Equação C),

que utiliza uma maior quantidade de hidroxiapatita em relação ao hidrogenofosfato

de cálcio anidro (CaHPO4) (8).

20 25 30 35 40

0

50

100

150

200

β-TCP

β-TCP β-TCP

β-TCP

β-TCP

HA

HAHA

HAHA

HA

β-TCP

β-TCP

β-TCP

β-TCP

HA β-TCP

Inte

nsid

ade

θ

β-TCP

2

Figura 1: Padrão de difração de raios X do β-TCP obtido.

6

Caracterização do cimento ósseo de fosfato de cálcio

Difração de raios X

Os padrões de difração de raios X do cimento estudado, antes e após etapa de

hidrólise, podem ser observados nas figuras 2 e 3 abaixo.

5 10 15 20 25 30 35 400

100

200

300

400

500

600

700

800

HAHADCPD DCPD

DCPD DCPD

DCPD

DCPD

DCPD

Inte

nsid

ade

θ

Figura 2: Padrão de difração de raios X do cimento não hidrolisado.

Analisando o espectro relativo ao cimento não hidrolisado (figura 2), encontrou-

se presente majoritariamente à fase DCPD, como esperado. Além da presença da

fase relativa a HA, de acordo com três picos situados na região com valor de 2θ

compreendido entre 31º e 34º e outro pico situado em 26º.

A presença da fase relativa a HA pode ser explicada devido à utilização de um

pó de β-TCP que continha, além da fase relativa ao β-TCP, uma fase remanescente

de HA (Figura 1). A presença de HA acaba por causar uma aceleração na reação de

pega do cimento (9).

Mediante a figura 3, após a etapa de hidrólise, observou-se presente à fase

majoritária relativa a HA (H), fato ocorrido devido ao processo de hidrólise, além da

presença de OCP (O).

Sem hidrólise

2

7

5 10 15 20 25 30 35 400

20

40

60

80

100

120

140

160 Com Hidrólise

HO

H

HO

HO

H

O

HO

O

H

HO

HOO

Inte

nsid

ade

2θ

O

Figura 3: Padrão de difração de raios X do cimento hidrolisado.

O aparecimento da fase OCP é explicado por esta ser um precursor da apatita,

que em ensaios in vitro, e sob condições favoráveis de pH, concentração iônica e

temperatura, gradualmente se transforma em apatita (9).

As presenças de HA e OCP em detrimento ao DCPD são favoráveis, pois

ambos são mais insolúveis e possuem menor reabsorção in vivo que o DCPD, além

de possuírem pH quase neutro em ambiente aquoso, diferentemente do DCPD que

possui caráter ácido, podendo induzir alguma forma de necrose no organismo (10).

Determinação pH

Após a correta calibração do pHmetro e determinação do pH da água destilada

usada no processo, verificamos que o pH medido para o cimento sem hidrólise foi de

6,28 (ácido), enquanto que para o cimento hidrolisado foi de 7,00 (neutro),

confirmando o fato de que ocorreu a conversão do DCPD (caráter acido) em HA

(caráter neutro).

8

Microscopia Eletrônica de Varredura

As figuras 4a e 4b, apresentam as microscopias eletrônicas de varredura do

cimento não hidrolisado e hidrolisado, respectivamente.

ba

Figura 4: Imagens de Microscopia Eletrônica de Varredura da superfície de fratura

do cimento (a) não hidrolisado e (b) Hidrolisado.

Pode-se observar através da Figura 4a, a presença predominante de placas,

correspondentes à fase DCPD, além da presença de grânulos, característicos à fase

HA. Já com relação à figura 4b observa-se uma grande diminuição do número de

placas (DCPD) e um aumento considerável de grânulos (HA), além da presença de

morfologia acicular referente à fase OCP (9) devido à conversão de DCPD em HA e

OCP, resultante do processo de hidrólise.

9

CONCLUSÃO

A metodologia adotada para obtenção do cimento é eficiente e mostrou-se

reprodutível.

A fase final do CFC é composta majoritariamente por DCPD.

A etapa de hidrólise mostrou-se eficiente, pois ocorreu a conversão de DCPD

em HA e OCP.

Ocorre uma mudança no valor do pH do cimento após a etapa de hidrólise,

correspondente a alteração de fase de DCPD para HA e OCP.

Os corpos obtidos após a hidrólise mantêm suas dimensões.

A hidrólise de DCPD em HA é promissora para a obtenção de corpos com

formas complexas para uso na área de crânio-bucomaxilofacial.

AGRADECIMENTOS

A Fundação de Amparo e Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP),

processo nº 03/09520-5.

10

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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4. O. Bermudez, M.G. Boltong, F.C.M. Driessens, J.A. Planell. Compressive

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8. M. Bohner, J. Lemaître, T.A. Ring. Effects of sulfate, pyrophosphate, and

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9. R.Z. LeGeros. Calcium Phosphates in Oral Biology and Medicine. Ed. Karger,

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10. E.C.S. Rigo. Efeito das condições de precipitação sobre as características

físico-químicas. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de São

Carlos, 1995.

11

HIDROLYSIS OF CALCIUM PHOSPHATE BONE CEMENT OF DCPD TO HA OBTENTION

ABSTRACT

In bone cements of calcium phosphates (CPS’s) are combined biocompatibility,

bioactivity and osteocondutivity of calcium phosphates bioceramics, with typical

properties of cements materials, such as moldability, ability to setting in situ and

injectability. The cement of dicalcium phosphate dihidrated (DCPD) are highlighted

among the many kinds of researched cements because of its simplicity and facility of

obtention, however this cement presents high bioreabsorption and acidity. A

possibility o use of this material is that, once shaped, it can be submitted to

hydrolysis, to transformation to hidroxiapatite phase, with the goal of rise as material

to maxillofacial area. The present work studied the efficiency and the effect of

hydrolysis stage in a formulation of CPC of DCPD, by X-ay diffraction

characterization, pH measure and scanning electronic microscopy.

KEY-WORDS: BONE CEMENT OF CALCIUM PHOSPHATE, HIDROLYSIS,

HIDROXIAPATITE

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