MINISTERIO DA EDUCAÇÃO

Universidade Federal de Alfenas - UNIFAL-MG

Campus Avançado de Poços de Caldas

Rodovia José Aurélio Vilela, nº 11.999 - Cidade Universitária

CEP: 37715-400-Poços de Caldas/MG

PROJETO DE TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

FERNANDA VILELA DE AQUINO

RECOBRIMENTO DE HIDROXIAPATITA EM SUBSTRATO DE TITÂNIO

Orientadora: Prof.a Neide Aparecida Mariano

Unidade Curricular: ICT 218

Poços de Caldas/MG

2015

FERNANDA VILELA DE AQUINO

RECOBRIMENTO DE HIDROXIAPATITA EM SUBSTRATO DE TITÂNIO

Trabalho apresentado à disciplina de Trabalho de

Conclusão de Curso II , da Universidade Federal de

Alfenas, como requisito parcial para obtenção do

grau de bacharel em Engenharia de Química.

Orientadora: Prof.a

Drª Neide Aparecida Mariano.

Poços de Caldas/MG

2015

FICHA CATALOGRÁFICA

A657r Aquino, Fernanda Vilela de.

Recobrimento de hidroxiapatita em substrato de titânio. / Fernanda Vilela de

Aquino ;

Orientação de Neide Aparecida Mariano . Poços de Caldas: 2015.

29fls.: il.; 30 cm.

Inclui bibliografias: fls. 27-29

Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Quimica ) –

Universidade Federal de Alfenas– Campus de Poços de Caldas, MG.

1. Hidroxiapatita . 2. Titânio . 3. Método Biomimético. I . Mariano, Neide Aparecida

(orient.). II. Universidade Federal de Alfenas – Unifal. III. Título.

CDD 620.12

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente Deus por me dar sabedoria e discernimento para aproveitar as

oportunidades oferecidas na minha vida.

Agradeço à Professora Orientadora Neide Aparecida Mariano, pela qual tenho um grande

respeito e admiração, que com seu vasto conhecimento contribuiu efetivamente para realização

deste trabalho. Agradeço pela sua paciência e dedicação.

Agradeço à professora Eliana Cristina da Silva Rigo, da Universidade de São Paulo

(USP), campus de Pirassununga, pela conhecimento compartilhado e parceria que foram

indispensáveis para a realização desse trabalho.

Agradeço à MarinyFabiele Cabral Coelho, pelo conhecimento compartilhado e ajuda

durante a realização dos ensaios.

À empresa ProteaBioscience pelo apoio técnico durante as análises químicas, permitindo

a utilização dos equipamentos de Microscopia Eletrônica de Varredura e Microscopia de massa.

Aos amigos Diogo Henrique C. Marinho, Isadora M. Martins, Juliana de Aquino Franzé,

Thais Gama, Júlio Ce. Dias Galdino e Marcelo Terek pela parceria e amizade durante todos os

meus anos de faculdade.

Ao meu namorado e amigo Gustavo Souza de Alencar e Silva pelo apoio e

companheirismo durante essa etapa tão importante de conclusão de curso.

Por fim, agradeço aos meus pais, pelo incentivo, apoio e carinho, de fundamental

importância para que eu pudesse concluir mais esta etapa de minha vida.

Resumo

A hidroxiapatitasintética, um composto inorgânicoqueéa forma natural encontrado na matriz

óssea e dos dentes, é uma boa alternativa para aplicaçãode substituiçãoósseadevido à sua

excelente bioatividade. No entanto a sua utilização é limitada por propriedades mecânicas.

Materiais tais como titânio, são amplamente utilizados para substituições ósseas devido às suas

excelentes propriedades mecânicas, têm sido utilizados como substratopara revestimentos de

hidroxiapatita, com o objectivo de reunir as boas propriedades mecânicas dos metais com a

bioatividade da hidroxiapatita. Devido à importânciade um revestimento uniforme, este projeto

tem como objetivo analisar a deposição de hidroxiapatitasobre superfícies de titânio por método

biomimético buscando o aprimoramento do mesmo. Foram utilizados como ferramentas para

analise quimica o Microscópio Eletrônico de Varredura(MEV) e Laser Ablation Electrospray

Ionization-Spectrometro de massa (LAESI-DP1000). O espectrometro de massa, LAESI, nunca

utilizado para essa aplicação se mostrou eficiencia na análise de uniformidade dos filmes.

Palavras chave: Hidroxiapatita, Titânio, Método Biomimético.

Abstract

Synthetic Hydroxyapatite, an inorganic compound which the natural form is found on the bone

matrix and teeth, is a good alternative for bone replacement application because of its excellent

bioactivity. However, its utilization is limited by mechanical properties. Materials such as

Titanium, already widely used for bone replacements because of their excellent mechanical

properties, have been used as substrate for hydroxyapatite coatings, aiming to sum the good

mechanical properties of the metals with the bioactivity of the hydroxyapatite. Due to the

importance of a well done coating, this project was carried out to analyze the deposition of

hydroxyapatite on titanium surfaces by Biomimetic Method. Scanning Electron Microscope

(SEM) and Laser Ablation Electrospray Ionization-Mass Spectrometry (LAESI-DP1000) were

utilized as tool for chemical analysis. The LAESI, not previously utilized for this application,

showed efficiency on analyzing the uniformity of the film.

Keywords: Hydroxyapatite, Titanium, Biomimetic Method

Sumário

1 Introdução.............................................................................................................................................. 7

2 Objetivo ................................................................................................................................................. 8

3 Revisão Bibliográfica ............................................................................................................................ 9

3.1 Biomateriais .................................................................................................................................. 9

3.2 Hidroxiapatita ................................................................................................................................ 9

3.3 Metais para implantes .................................................................................................................. 11

3.4 Revestimento Biomimético ......................................................................................................... 12

3.5 LAESI (Laser ablation electro spray ionization) ......................................................................... 14

4 Materiais e Métodos ............................................................................................................................ 15

4.1 Preparação das amostras .............................................................................................................. 15

4.2 Recobrimento de hidroxiapatita .................................................................................................. 15

4.3 Preparação de soluções ................................................................................................................ 16

4.4 Caracterização Microestrutural ................................................................................................... 17

5 Resultados ........................................................................................................................................... 18

5.1 Caracterização Microestrutural-MEV- ........................................................................................ 18

5.2 Caracterização Microestrutural-Microscopia eletrônica de varredura- EDX ............................. 20

5.3 Caracterização Microestrutural-LAESI ....................................................................................... 21

6 Conclusão ............................................................................................................................................ 24

7 Sugestões para Trabalhos Futuros ....................................................................................................... 25

1. A influência da variação da temperatura e tempo no crescimento de HA em superfícies oxidadas de

titânio; ......................................................................................................................................................... 25

2. Avaliação e variação de aderência dos filmes para diferentes condições de crescimento. ................. 25

3. Avaliação da atividade biológica das camadas para diferentes condições de crescimento e para

diferentes espessuras. .................................................................................................................................. 25

8 Referências .......................................................................................................................................... 26

7

1 Introdução

O aumento da expectativa de vida e a busca por uma melhor qualidade de vida têm levado

muitos pesquisadores ao redor do mundo a depositar esforços no desenvolvimento de tecnologias

visando melhorias dos materiais utilizados em implantes ósseos. O sucesso de um implante

depende de suas propriedades internas (força) e superficiais, tais como composição e carga. É

necessário dispor-se de um material que apresente uma boa compatibilidade óssea. (Guastaldi e

Aparecida, 2010).

A hidroxiapatita sintética, um composto inorgânico que em sua forma natural é

encontrada na matriz óssea e nos dentes, é uma boa alternativa para a aplicação de substituição de

tecidos ósseos. Ela é composta por cálcio e apresenta uma alta bioatividade, ósseo condutividade

e ósseo indutividade. Esse material é utilizado em alguns casos de substituição, mas a sua

utilização é limitada devido a características frágeis (Carlo, et al, 2007.).

Titânio, amplamente utilizado para substituições ósseas devido às suas excelentes

propriedades mecânicas e biocompatibilidade, foi utilizado nesse trabalho como substrato para

revestimentos de hidroxiapatita, de modo a conciliar as boas propriedades mecânicas dos metais

com a bioatividade da hidroxiapatita. O composto permite a produção de implantes mais estáveis,

crescimento de tecidos em torno deles, com formação de ligações entre o biomaterial e tecido.

(Filho, de Assis, Vercik, &Guastaldi, 2007)

Existem diferentes tipos de processos de revestimento, sendo que o Biomiméticos,

desenvolvidos por Abe em 1990, tem atraído a atenção devido ao seu baixo custo e simplicidade

do método. Ele basicamente imita o processo de formação de nossos ossos. (Guastaldi e

Aparecida, 2010)

8

2 Objetivo

O objetivo do trabalho foi analisar a deposição de hidroxiapatita em superfície de titânio

pelométodoBiomimético.

Os objetivos específicos foram:

1. Preparar a superficie das amostras;

2. Realizar o tratamento térmico;

3. Realizar recobrimento Biomimético;

4. Analisar por Microscopia Eletronica de Varredura (MEV) e por EDX;

5. Analisar homogeineidade por Microscopia de Massa Atômica LAESI-MS (Laser

AblationElectro spray Ionization-Mass Spectrometry).

9

3 Revisão Bibliográfica

3.1 Biomateriais

Biomateriais são todos os materiais, naturais ou sintéticos, que podem melhorar, tratar ou

substituir um órgão, tecido ou função do organismo quando implantados no indivíduo vivo.

Diferentes tipos de metais, polímeros e cerâmicas podem ser utilizados com essas finalidades por

apresentarem biocompatibilidade.

Os materiais utilizados como implantes são classificados de acordo com sua resposta

biológica quando em contato com tecidos vivos. Podem ser:

Bioativos:provocam uma resposta biológica específica que resulta na interação

química entre a superfície do implante e tecido. Hidroxiapatita, assim como

biovidros e vidro cerâmica são alguns exemplos de materiais bioativos (Melo,

2011).

Bioabsorvíveis: degradam-se quando implantados no corpo. Apresentam grande

importância clínica já que não necessitam de novas intervenções cirúrgicas para a

retirada do material. Como exemplo de material bioabsorvível tem o fosfato tri

cálcico (Melo,2011).

Bionertes: não induzem resposta local com o sistema biológico. Exemplo: alumina,

carbono, zircônia e titânio(Melo, 2011).

Biotoleráveis: são materiais tolerados pelo organismo que induz uma resposta

mínima, aceito pelo organismo receptor. Exemplo: aços inoxidáveis (Melo,2011).

O uso de biomaterias para substituição de tecidos ósseos tem atraído a atenção de muitas

pesquisas. Materiais metálicos e cerâmicos têm destaque devido a suas propriedades mecânicas e

de biocompatibilidade respectivamente.

3.2 Hidroxiapatita

A hidroxiapatita é o principal componente inorgânico de ossos e dentes, conferindo

rigidez a essas estruturas. Sua composição molecular é representada pela fórmula geral

Ca10(PO4)6(OH)2 e a estrutura da molécula é apresentada na Figura 1. Ela representa 55% da

10

composição de ossos, 96% da composição do esmalte dos dentes e 70% da dentina.

(Guastaldi&Aparecida, 2010)

Figura 1:Estrutura da Hidroxiapatita

Fonte: Guastaldi& Aparecida (2010, p 3).

Hidroxiapatita apresenta alta biocompatibilidade com tecidos moles como músculos e

pele., baixa degradação, boa ósseocondutividade além de ser um material bioativo que irá

permitir o crescimento ósseo e a ósseointegração ao redor do implante (Noor, 2013). Essas

características permitem sua aplicação como enxerto ósseo

A hidroxiapatita sintética tem sido estudada desde o início da década de 1970 com o

objetivo de utilização para a substituição de tecidos duros. Seria uma alternativa atraente se seu

uso não fosse limitado por suas propriedades mecânicas. (Motomiya, et al., 2007). Compósitos de

metais revestidos por hidroxiapatitaforam a forma encontrada para associar as boas propriedades

mecânicas dos metais com a bioatividade da hidroxiapatita.

Implantes produzidos com titânio revestido com hidroxiapatita apresentarm uma maior

estabilidade depois de implantados além de uma melhor fixação do implante ao osso.

Hidroxiapatita imita o comportamento do osso natural e fornece uma interface adesiva forte, de

longa duração entre um implante de substituição óssea e tecido circundante. (Narayan, 2004)

Hidroxiapatita (HA) foi preparada pela primeira vez em uma forma densa e policristalina

em 1974. Em 1980, revestimentos utilizando o método plasma spray foram produzidos

comercialmente. Durante a segunda metade dos anos oitenta, inúmeras empresas passaram a

utilizar o recobrimento após testes utilizando implantes transcorticiais em cães demonstrarem que

implantes revestidos por hidroxiapatita poderiam criar uma aderência mais rápida e mais forte

11

dos implantes no osso comparado com os de metais não revestido. Inicialmente, os revestimentos

de hidroxiapatita eram realizados por plasma-spray em cobalto e cromo. Foram observados

problemas como a variação na resistência de união interfacial e cristalinidade em alguns

revestimentos inicialmente disponíveis no mercado, o que motivou a pesquisa e desenvolvimento

de novos métodos de revestimento posteriores (Horowitz&Parr, 1994).

O controle do processo de revestimento é extremamente importante para garantir a

qualidade dos filmes. A granulometria do pó de hidroxiapatita influencia significativamente na

qualidade do revestimento final e as condições do método de revestimento irão determinar a

cristalinidade e resistência das ligações entre as camadas e substrato. Além disso, as impurezas

devem ser controladas porque podem comprometer as propriedades da película e levar à

degradação da mesma quando em contato com o corpo causando a perda da integridade do

revestimento de hidroxiapatita ou mesmo a perda do implante (Horowitz&Parr, 1994).

3.3 Metais para implantes

Os principais metais utilizados como biomateriais são divididos em três classes: ligas

ferrosas (aço inoxidável) a base de cobalto e ligas de titânio. Os metais são classificados como

bio-inertes e alguns deles, tais como titânio, nióbio e tântalo podem tornar-sebioativos após o

tratamento de ativação da superfície de óxido ou por obtenção de revestimentos bioativos sobre a

superfície.

A biocompatibilidade de metais e ligas é baseada na formação de uma fina camada de

óxido, aderente estável. No entanto, problemas como corrosão, desgaste e reação adversa com os

tecidos podem limitar o uso de materiais metálicos no corpo humano. Além disso, quando em

contato com o corpo, a maior parte dos metais são encapsulados por tecido fibroso denso o que

impede a distribuição apropriada de tensões e pode causar o afrouxamento do implante. A

composição química de cada classe de metal deve ser bem controlada para evitar a degradação

química da camada de óxido e das propriedades mecânicas do metal ou da liga (Xia, Lindah, &

Engqvist, 2011)

Aço inoxidável e titânio têm recebido a atenção das indústrias de implantes por causa de

suas boas propriedades mecânicas e biocompatibilidade. O aço inoxidável têm sido uma boa

alternativa em termos de custos comparado ao titânio, no entanto, apresentam como principais

limitações a corrosão e a troca iônica. Os aços inoxidáveis sofrem corrosão in vivo e liberam íons

12

do tipo Ni2 +,

Cr3 +

e Cr6 +

no organismo, o que pode causar efeitos locais, tais como, irritação e

inflamação em áreas adjacentes à interface do implante (efeito tóxico sobre o corpo).

Titânio tem uma combinação de elevada resistência mecânica, elevada resistência à

corrosão e resposta biológica favorável, o que faz com que ele seja o metal mais utilizado

comobiomaterial. Entre as ligas de titânio, a liga Ti-6Al-4V (ASTM F136, 1984) é a mais

utilizada em várias aplicações, incluindo aplicações biomédicas. (Guastaldi A. C., 2007)

A biocompatibilidade de Ti comercialmente puro é devido à sua estabilidade química no

organismo, causada pela formação espontânea de uma película passiva, fina e impermeável de

dióxido de titânio TiO2 sobre a superfície do metal, proporcionando a ele uma grande resistência

à corrosão.

O óxido de titânio formado sob condições normais de temperatura e pressão na superfície

do titânio puro, caso não haja nenhum tipo de tratamento superficial, é amorfo. Além da fase

amorfa,existem naturalmente outras três fases cristalinas de dióxido de titânio que são: rútilo,

anatase e brookite (Xia, Lindah, &Engqvist, 2011).

Os tratamentos de superfície, tais como o revestimento de hidroxiapatita, tem sido alvo de

diversas pesquisas que buscam melhorar a resistência à corrosão dos implantes, que é um

parâmetro de alta relevância para seleção dos biomaterias.

3.4 Revestimento Biomimético

Existem diferentes métodos de revestimento de hidroxiapatita para materiais de

implante.Muitospesquisadores têm se dedicado na comparação de métodos que proporcionam

boa qualidade aos filmes. Alguns dos métodos utilizados são: pulse-laserdeposition, sol-gel, ion-

beamassisteddeposition,plasma-spray. No entanto, estas técnicas possuem desvantagens, tais

como, operação complexa, dificuldade para produzir um revestimento com características

especificas econfiabilidade do processo de revestimento. O método biomimético tem sido visto

como uma técnica alternativaàs técnicas citadas. (Lindah, 2012)

O método Biomimético foi desenvolvido por Abe, em 1990, e tem atraído a atenção

devido à sua simplicidade, menor cristalinidade e possibilidade de formar uma camada de apatita

biomimética em materiais com formas complexas, além de possui maior semelhança do

revestimento com os ossos. A técnica permite a formação de fosfato de cálcio amorfo (ACP),

13

fosfato de cálcio octa (PCO),hidroxiapatita ou uma combinação dos mesmos, proporcionando

baixa cristalinidade e consequentemente alta bioatividadeconforme descrito por estudos

anteriores, os quais reportaram que a bioatividade e cristalinidade de hidroxiapatita como sendo

inversamente proporcionais. O método Biomimético apresenta como desvantagens, o tempo para

o revestimento, que é aproximadamente uma semana, e baixa resistência mecânica das películas

em decorrência da porosidade (Lindahl, 2012).

De acordo com Xia, Lindah e Engqvist(2011), mesmo que a fase cristalina de TiO2 não se

apresente como pré-requisito para induzir a formação de hidroxiapatita na superfície do metal.

Certos tipos de grupos deTi-OH em arranjos estruturais específicos como anatase e rutilo, são

mais eficientes na indução de apatita. Além disto, a carga de superfície tem uma grande

influência sobre a deposição de filmes, sendo que a superfície carregada negativamente é

essencial para a indução do crescimento de hidroxiapatita sobre um substrato imerso em SBF.

Diferentes métodos químicos e físicos têm sido utilizados para melhorar a bioatividadede

Ti favorecendo o crescimento de filmes de hidroxiapatita. O tratamento em solução altamente

concentrada de NaOH, seguido de um tratamento térmico, é ummétodo que tem apresentado bons

resultados. O tratamento térmico irá permitir a formação de rutilo e anatase sobre a superfície das

estruturas, que como já mencionado, são mais eficientes na indução de deposição de apatitas.

De acordo com a literatura, o tratamento térmico seguido de tratamento alcalino, tem por

objetivo o desenvolvimento de uma camada estável de crómio de sódio (Na4CrO4), que é um

óxido que produz aumento nos grupos hidroxila da superfície e atua como ponto de nucleação.

Após o tratamento térmico alcalino, os substratos tem que ser submetidos à etapa de

nucleação, sendo imersos em uma solução de silicato de sódio, com o intuito de aumentar a

nucleação de hidroxiapatita pela formação de grupos Si-OH, como relatado por Xia, Lindah

eEngqvist (2011). Na metodologia original, um cubo de vidro bioativo L foi utilizado para o

passo de nucleação, mas alguns estudos tem mostrado resultados bem sucedidos com a

substituição do cubo de vidro por imersão em solução de silicato de sódio (Guastaldi e

Aparecida, 2010)

Após a preparação da superfície, o método consiste basicamente na imersão do substrato

em uma solução sintética simulando plasma sanguíneo (SimulatedBodyFluid - SBF), o qual

ocorre ao longo de um cubo de vidro bioativo G que permite a nucleação do filme. O ponto

isoelétrico de titânio, ou seja, o pH no qual a superfície de titânio não apresenta carga,éabaixo de

14

7, e como a solução SBF tem um pH 7,4 ocorrerá a desprotonação da superfície de titânio quando

em solução e a formação de grupos Ti -OH carregados negativamente na superfície. A segunda

etapa consiste na precipitação e crescimento da camada de hidroxiapatita com o substrato imerso

na solução SBF sintética concentrada (Rigo, 2004).

Uma vez carregado negativamente, a superfície irá adsorver íons Ca2+

que farão a

superfície gradualmente carregar-se positivamente, atraindo íons fosfato com carga negativa a

partir da solução e assim sucessivamente formando camadas. Fosfato de cálcio amorfo é então

formado, sendo gradualmente substituído por uma apatita cristalizada. (Lindahl, 2012).

AFigura2ilustra o crescimento da película de hidroxiapatita em titânio.

Figura2: Processo de deposição do filme de hidroxiapatita em titânio

Fonte: Xia, Lindah e Engqvist,( 2011, p. 5)

3.5 LAESI (Laser ablation electro spray ionization)

O LAESI DP-1000 é um Sistema de ionização direta de alta eficiência que caracteriza a

distribuição das moléculas. É uma técnica sensível e rápida que fornece dados tanto qualitativos

quanto quantitativos. O sistema revoluciona os outros métodos de introdução de amostras e

análise de dados utilizados por outros espectrômetros de massa, além de oferecer uma qualidade

de visualização das amostras sem precedentes. O equipamento opera sob pressão atmosfera e sem

necessidade de adição de matriz. Com esse equipamento, é possível aumentar a velocidade das

análises, já que as amostras podem ser introduzidas no espectrômetro de massa sem nenhuma

preparação prévia. Imagens 2D e 3D permitem a visualização espacial das moléculas ao longo da

amostra.

15

4 Materiais e Métodos

4.1 Preparação das amostras

.

Primeiramente as amostras de titânio, cilindros de aproximadamente 15 mm, foram

lixadas com lixa de 180 mesh, para proporcionar rugosidade à superfície. As amostras foram

limpas com metanol e água destilada e colocadas no banho ultra-sônico durante 20 minutos.

Após a limpeza, as amostras foram imersas em NaOH 5M durante 24 horas a uma temperatura de

60°C, para um tratamento alcalino da superfície.

Como já citado, de acordo com Xia, Lindah e Engqvist (2011), entre as três estruturas

diferentes que podem ser encontrados de titânio, as estruturas rutilo e anatase são mais favoráveis

ao crescimento de hidroxiapatita. Esta estrutura foi produzida por tratamento térmico do titânio,

aquecendo-o a 600°C em forno tipo mufla,por uma hora e resfriando ao ar. Os revestimentos

foram realizados com uma parte das amostras tratadas termicamente e parte não, com o intuito de

comparar o recobrimento em termos de uniformidade dos filmes.

4.2 Recobrimento de hidroxiapatita

Foi utilizado o método biomiméticopara revestir a superfície de titânio comercialmente

puro com hidroxiapatita.

Todas as amostras (tratadas e não tratadas) foram imersas em solução de silicato de sódio,

onde foram mantidas durante 7 dias a 36,5°C (fase de nucleação). A nucleação em silicato de

sódio foi utilizada como substituto do cubo de vidro bioativo G, de acordo com metodologia já

adotada (Rigo, 2004). Após a nucleação, as amostras foram imersas em solução de 1,5 SBF

concentrada, onde foram mantidas durante sete dias para a precipitação e crescimento da camada

de hidroxiapatita. A solução foi renovada a cada dois dias para garantir o estado de

supersaturação da solução e indução da formação da película.

16

4.3 Preparação de soluções

As soluções utilizadas foram preparadas de acordo com a Tabela 1. FBS e 1,5FBS foram

preparadas por dissolução: NaCl, KCl, K2HPO4, CaCl2. 2H2O, MgCl2.6H2O, NaHCO3 e

Na2SO4. Foi utilizada solução de silicato de sódio (Na2O) SiO2 em grau analítico em água

destilada e deionizada. O pH da solução foi ajustado a 7,45 (a 37°C) com HCl 0,1 M e Tris

(hidroximetil (CH2) 3CNH2) 0,05 M. A

Tabela 1:Reagentes utilizados para o método biomimético

Reagentes SBF (g) 1,5SBF (g) SS (g) NAOH 5M (g)

NaCl 8,035 12,053

NaHCO3 0,355 0,533

KCl 0,225 0,338

K2HPO4 0,176 0,264

MgCl2.6H2O 0,311 0,467

HCl 1,0M 39,0 ml 58,5

CaCl2.2H2O 0,386 0,579

Na2SO4 0,072 0,108

Tris 6,118 9,177

HCl 1,0M 0 a 5 ml 0 a 7,5 ml

(Na2O).SiO2 0,276

NaOH 199.985

Fonte: Guastaldi (2007).

17

4.4 Caracterização Microestrutural

Foi utilizado para a caracterização microestrutural o Microscópio Eletrônico de

Varredura(MEV), JEOLJSM7600F. As imagens foram recolhidas a cada dois dias de imersão em

SBF(fluido corporal simulado) para observar o crescimento dos filmes de hidroxiapatita. O

equipamento foi operado a10kV e uma distância de trabalho de15mm. Foi utilizado EDX(Energy

Dispersive X-Ray Spectroscopy) para determinar a composição elementar das amostras.

Após as análises de MEV, foi utilizado para a obtenção de imagens o sistema de

ionização direta LAESI DP1000, conectado a um espectrômetro de massa Thermo LTQ Velos

DP 1000 a uma voltagem de 4kV e vasão do eletrospray de 1μL/min (0.1 ácido acético em 50%

metanol).As amostras foram colocadas dentro do equipamento LAESI DP1000, em uma placa

pre resfriada a 4°Ce analisadas por 20 minutos. Um total de 5 pulsos de laser de 5Hz foram

utilizados em cada local da amostra.O espectrômetro de massa Thermo LTQ Velos foi operado

em modo“fullscanning”. Os fragmentos de 505.3 m/z e 122.22 m/z, correspondentes as massas

de hidroxiapatita e CaPO3,respectivamente, foram escolhidos para a construção imagens iônicas

em 2D e 3D. Todos os dados adquiridos foram processados utilizandoProteaPlotimaging software

(ProteaBioscienceGroup).

Uma vez que o espectrômetro de massa LAESInão havia sido utilizado anteriormente

para essa aplicação, além da análise dos filmes, amostras padrão de hidroxiapatita pura foram

diluídas em HCL 1 molar em SBF e também analisadas por LAESI , utilizando os mesmos

parâmetros das amostras recobertas, com o objetivo de identificar corretamente as moléculas

presentes no filme.

18

5 Resultados

5.1 Caracterização Microestrutural-MEV-

Como já mencionado, parte das amostras foram recobertas sem o tratamento térmico, o que

significa que o filme de dióxido de titânio presente na superfície apresenta uma estrutura amorfa.

As amostras tratadas termicamente, apresentam um filme de dióxido de titânio como estrutura

rutila de acordo com Xia, Lindah eEngqvist (2011).

A Figura 3 mostra a superfície do titânio, sem tratamento térmico, depois de imersão em

SBF (SimulatedBodyFluid) por 7 dias.

Pequenos aglomerados de hidroxiapatita foram observados após 7 dias de imersão em

SBF. Como pode ser observado, as amostras não apresentaram um recobrimento uniforme, o que

era esperado, já que de acordo com Xia, Lindah, eEngqvist( 2011), os filmes de dióxido de titânio

(TiO2), quando amorfos, são menos eficientes na indução da deposição de hidroxiapatita.

Estruturas de hidroxiapatita (Ca10(PO4)6(OH)2), indicadas pelas setas, se depositaram de

uma forma aglomerada, e não espalhadas como um filme. Não foi observado grande variações do

recobrimento mesmo após 14 dias de imersão.

Figura 3: Micrografias obtidas pelo MEV, para amostras sem tratamento térmico, após sete dias de

imersão em SBF.

Aglomerados de

Hidroxiapatita

Aglomerados de

Hidroxiapatita

A B

C D

19

As imagens coletadas das amostras que receberam o tratamento térmico são mostradas na

Figura 4. No segundo dia de imersão já foiobservado sinais de crescimento do filme que

apresentaram crescimento durante os 7 dias de imersão. Pode ser observado que as amostras

tratadas termicamente apresentaram um filme mais uniforme e organizado. No entanto, os filmes

não apresentaram uma estrutura de hidroxiapatita (globular) mas sim uma estrutura cristalina. O

motivo pode ter sido as condições não adequadas durante o recobrimento, como variação na

temperatura e pH, ou a influência das diferentes estruturas de TiO2 na deposição de

Hidroxiapatita. Mais pesquisas seriam necessárias para que conclusões mais precisas fossem

encontradas.

Figura 4: Micrografiasobtidas pelo MEV de amostras de titânio com tratamento térmico, recobertas por

hidroxiapatita. A imagem A após dois dias de imersão em FBF e B, C e D, após sete dias.

A B

C D

20

5.2 Caracterização Microestrutural-Microscopia eletrônica de varredura- EDX

A análise de EDX (Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy) permitiu a identificação da

composição elementar dos filmes formados. A Figura 5 mostra acomposição elementar das

moléculas presentes na região de recobrimento das amostras sem tratamento térmico. Foi

observado, sinais de Ca, P e O, indicando a presença de fosfato de cálcio (Hidroxiapatita) e

também foram observados sinais de Ti (o substrato) e de Na e Cl indicando presença de depósito

de sal.

.

Figura 5: Composição elementar das moléculas presentes na região de recobrimento das amostras

sem tratamento térmico.

Os mesmos elementos formam observados para a amostra tratada termicamente, como

mostrado na Figura 6, porém com picos mais intenso de titânio o que decorre da menor espessura

dos filmes de hidroxiapatita.

Ti

Ca Ti

Cl P Na TI

Ca

O

21

Figura6:Composição elementar das moléculas presentes na região de recobrimento das amostras com

tratamento térmico.

5.3 Caracterização Microestrutural-LAESI

Os dados adquiridos porLAESI DP 1000 foram processados utilizando ProteaPlotimaging

software (ProteaBioscienceGroup). O equipamento, nunca utilizado anteriormente para essa

aplicação, foi capaz de determinar a distribuição das moléculas ao longo das amostras assim

como para diferentes camadas do filme. O mapa iônicoreferente a molécula de hidroxiapatita e

m/z= 122.22 referente a CaPO3foram gerados.

A Figura 7representa o mapa iônico dos picos de hidroxiapatita(m/z=503.3) para as

amostras sem tratamento térmico. Como pode ser observada, a distribuição das moléculas ao

longo das amostras não foi uniforme, o que significa que o processo de deposição de

hidroxiapatita não foi eficiente.

Os resultados estão de acordo com os adquiridos por MEV, técnica já utilizada por outros

pesquisadores. Foi tambémobservada uma maior concentração de hidroxiapatitanas camadas

mais externas, o que também era esperado, já que a deposição do filme inicia-se com a formação

de dióxido de TiO2 nasuperfície, seguida pela deposição de hidroxiapatita.

Ti

Cl

Ca Ca Ti O P Na

22

Figura 7: Mapa iônico de Hidroxiapatita (m/z=503.3). Amostras sem tratamento térmico.

A Figura 8mostra o mapa iônico da hidroxiapatita das amostras tratadas termicamente.Foi

observado, a distribuição do filme ao longo da amostra foi mais uniforme comparadas as

amostras sem tratamento térmico. Uma maior concentração de moléculas nas camadas mais

externas também foi observada.

Figura 8: Mapa iônico de Hidroxiapatita (m/z=503.3). Amostras com tratamento térmico.

A Figura9e Figura10mostram respectivamente a distribuição CaPO3 (m/z=122.22) para

as amostras não tratadas e tratadas termicamente. Para ambas as amostras, os picos foram

intensos e não tiveram distribuição uniforme. Foi também observada uma concentração diferente

ao longo das camadas do filme, evidenciando o processo de deposição acontece em camadas

como descrito anteriormente.

23

Figura9: Mapa iônico da molécula CaPO3 (m/z=122.22). Amostras sem tratamento térmico.

Figura10: Mapa iônico da molécula CaPO3 (m/z=122.22). Amostras com tratamento térmico.

24

6 Conclusão

Baseando-se nas análise realizadas, o processo de recobrimento de uma forma geral não foi

eficiente o que pode ter sido causado por condicoes inadequadas durante o recobrimento como

variação de temperatura e pH.

As amostras tratadas termicamente apresentaram filmes mais uniformes. Foi também

observado que os filmes apresentaram uma estrutura cristalina, diferente da estrutura globular

(HA) esperada. Isso pode ter sido causado por condições inadequadas durante o recobrimento ou

pela influência da estrutura do TiO2 na formação dos filmes.

A técnica por espectrometriade massa, LAESI DP1000, é inovadora para essa aplicação e

mostrou-se eficiente na análise de homogeneidade dos filmes e estão de acordo com as análises

obtidas por MEV.

25

7 Sugestões para Trabalhos Futuros

1. A influência da variação da temperatura e tempo no crescimento de HA em superfícies

oxidadas de titânio;

2. Avaliação e variação de aderência dos filmes para diferentes condições de crescimento.

3. Avaliação da atividade biológica das camadas para diferentes condições de crescimento e

para diferentes espessuras.

26

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