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ELABORAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE BIOMATERIAIS NANOCOMPÓSITOS HA/Al2O3- Sol-Gel PARA USO COMO

MATRIZ DE RECONSTITUIÇÃO ÓSSEA

Nelson H. A. Camargo1, Sarah A. de Lima2, Júlio C. P. de Souza3,Pricyla Corrêa4

1,2Depto. de Engenharia Mecânica, Universidade do Estado de Santa Catarina, Joinville (SC), Brasil 3,4Programa em Ciência e Engenharia de Materiais, Joinville (SC), Brasil

E-mail: [email protected]

Resumo. As biocerâmicas nanoestruturadas de fosfato de cálcio, são temas de pesquisa e vêm despertado interesses científicos, políticos, industriais e comerciais, isto, por destes biomateriais, apresentarem características diferenciadas de bioatividade, microestrutura, nanoestrutura, da área superficial de grãos e de microporos, condições favoráveis aos processos de reparo de defeitos e da reconstrução de tecido ósseo. Os biomateriais nanocompósitos de hidroxiapatita/alumina nanoristalina, são uma nova classe de biomateriais, que podem ser promissores em aplicações biomédicas. Estes novos nanomateriais são constituídos de uma nova arquitetura microestrutural, nanoestrutural com microporosidade interconectada, apresentando área superficial de grãos e de microporos diferenciadas dos biomateriais convencionais. O presente trabalho de pesquisa teve como objetivo a síntese via úmida de uma matriz óssea de hidroxiapatita nanoestruturada, para posterior elaboração do biomaterial nanocompósito hidroxiapatita/Al2O3–α sol-gel, nas concentrações de 1, 2, 3 e 5% em volume de alumina- nano cristalina, dispersa em posição inter – intragranular na matriz hidroxiapatita. Este método permite a obtenção de pós nanoestruturados de hidroxiapatita formados por finas partículas com tamanho inferiores a 100nm. O método por moinho atritor foi utilizado, para elaboração dos pós nanocompósitos. Este forneceu os pós nanocompósitos com boa dispersão da segunda fase Al2O3-, em posição inter-intragranular na matriz hidroxiapatita. Os estudos de caracterização foram realizados em nível da morfologia, da microestrutura, da nanoestrutura e do comportamento térmico. A difratometria de raios X e análise de partículas também foram utilizadas para os pós nanoestruturados recuperados do moinho atritor. Determinou-se também, as propriedades mecânicas, para as diferentes composições de biomateriais obtidos da sinterização a 1250oC/2h..

Palavras-chave: Elaboração, Caracterização, Nanocompósito, Biomaterial

1. INTRODUÇÃO

A nanotecnologia, também conhecida como Nanotecnologia molecular ou Engenharia molecular, que trata da síntese e caracterização de biomateriais funcionais com características nanoestruturais com tamanho de partículas e/ou grãos inferiores a 100nm. Os biomateriais nanoestruturados são uma nova classe de biomateriais que podem oferecer novas características de propriedades mecânicas, elétricas, magnéticas, químicas, ópticas e biológicas superiores aos biomateriais convencionais, formados por microestruturas micrométricas [CATLEDGE, 2002]. Os biomateriais nanoestruturados formados pela composição Ca/P, os fosfatos de cálcio e os nanocompósitos, mistura de fosfatos de cálcio/Al2O3, SiO2 e TiO2n, vem sendo amplamente pesquisados e tem se

mailto:[email protected]

apresentado promissores em aplicações traumatológicas, ortopédicas e odontológicas, na reparação de defeitos, na reconstituição de tecido ósseo, na fixação de implantes e no tratamento de remineralização dental [CAMARGO, 2009, CAMARGO, 2009, DELIMA, 2008, CAMARGO, 2007, BELLINI, 2007, BURROW, 2002]. Constatou-se na bibliografia, diferentes técnicas e métodos utilizados na síntese e elaboração de pós nanopartículados e de biomateriais nanocompósitos [SOUZA, 2009, SANTOS, 2009, DELIMA, 2009, KUMTA, 2005]. Os nanomateriais se destacam, por apresentarem novas características de área superficial de grãos e de microporos, com microestruturas microporosas interconectadas, favoráveis a molhabilidade, capilaridade, adesão celular na superfície de grãos e de microporos, estas novas características podem contribuir significativamente com a migração, adesão e proliferação celular, osseoindução e osseointegração do biomaterial dentro dos processos de reconstituição óssea [CAMARGO, 2012, DELIMA, 2009, HUINAN, 2008, WARDA, 2006, JIAN, 2004] Dentre os fosfatos de cálcio, se destacam a HA, TCP- e as composições bifásicas de HA/TCP-, isto, por estes biomateriais apresentarem similaridade química e cristalográfica com a apatita óssea. Os biomateriais nanocompósitos a matriz cerâmica de HA e/ou TCP- são uma nova geração de biomateriais, que vem apresentando novas características microestruturais, nanoestruturais, com morfologia, interface de grãos e de microporos, promissoras em aplicações de reparação de defeitos e na reconstituição do tecido ósseo. [CAMARGO, 2012, LEVANDOWSKI, 2009, FU, 2008, SATO, 2006, MOSTAFA, 2005]

A alumina- tem aplicações bastante diversas nas áreas alimentícia, cosmética, aeroespacial e também biomédica, devido se apresentar como uma fase bioinerte podendo ser osseointegrável com o tecido adjacente quando na forma nanoestruturada [KOLODIAZHNYI, 2009, JUHA-PEKKA, 2007, ADVINCULA, 2006, CAROFF, 19989]. Sob a forma de nanopartículas, pode apresentar boa bioatividade promovendo a proliferação do tecido ósseo sobre a superfície das nanopartículas, favorecendo a osseointegração, a osseoindução e adesão do tecido ósseo na interface do biomaterial [SOUZA, 2009, DELIMA, 2008, KHANG, 2008, WEBSTER, 2003].

A elaboração de biomateriais nanocompósitos a matriz cerâmica de HA/Al2O3-, é tema atual de pesquisa e vem se apresenta promissor em aplicações biomédicas. Isto por estes biomateriais apresentarem microestruturas e nanoestruturas microporosas interconectadas, com área superficial de grãos e de microporos modificadas, o que pode estimular a adesão e proliferação celular na superfície de grãos e para o interior do biomaterial, assim, proporcionando melhores condições de reconstituição de tecido ósseo [CAMARGOGO, 2010, DELIMA, 2008, BELLINI, 2007].

Este trabalho teve como objetivo a elaboração e caracterização de biomateriais nanocompósitos obtidos a partir de uma matriz cerâmica de HA, com a adição de 1, 2, 3 e 5% em volume de alumina- sol-gel nano cristalina. O interesse da adição de pequenas concentrações de Al2O3- sol-gel na matriz cerâmica de HA, foi obter uma melhor dispersão da segunda fase nanométrica na matriz HA, durante o processo de mistura em moinho atritor de alta energia. A HA e a alumina- sol-gel utilizadas para elaboração dos pós nanocompósitos, foram fornecidas pelo Grupo de Biomateriais da Universidade do Estado de Santa Catarina- UDESC (Brasil). A matriz hidroxiapatita foi obtida através do método de síntese via úmida conforme descrito por [SOUZA, 2009]. O pó de alumina- foi obtido pelo método sol-gel conforme [CAMARGO, 1995]. A alumina- sol-gel, se apresentou com uma morfologia formada por finas partículas aglomeradas com tamanho médio da ordem de 50nm. A mistura das fases para obtenção dos pós nanocompósitos foi realizada com ajuda de um moinho atritor de alta energia, água destilada e esferas de zircônia. O pó recuperado do moinho atritor foi compactado em uma matriz metálica com as dimensões 12mm de largura 30mm de comprimento e

5mm de espessura, a carga de compactação foi de 30MPa, os corpos de prova recuperados da compactação foram submetidos a sinterização a temperatura de 1200ºC/2h. A microscopia eletrônica de varredura serviu para identificação da morfologia dos pós nanoestruturados recuperados do moinho atritor e da microestrutura e nanoestrutura dos biomateriais. A técnica de difração de raios X (DRX) evidenciou, em seus difratogramas para os pós obtidos do moinho atritor, a presença da fase HA estequiométrica, picos de baixa intensidade da fase da alumina-para os pós nanocompósitos. O estudo do comportamento térmico teve como objetivo observar a perda de massa e as transformações de fase em função do tempo e da temperatura. O método de análise por difração laser foi utilizado para determinação do tamanho de partículas para os pós nanocompósitos. Por fim se determinaram as propriedades mecânicas através do ensaio à flexão três pontos.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

Foram elaboradas cinco composições de biomateriais nanoestruturados, sendo uma composição à matriz cerâmica de hidroxiapatita (matriz óssea), depois os biomateriais nanocompósitos com 1%, 2, 3 e 5%, em volume de Al2O3-a sol-gel.

2.1. Elaboração dos pós nanoestruturados

A elaboração dos pós nanocompósitos, foi realizada em moinho atritor de alta energia marca NETZSCH, com ajuda de esferas de zircônia com diâmetro de 2,00mm e água destilada. Com objetivo de se obter a melhor da dispersão da segunda fase de alumina- nanométrica, na matriz hidroxiapatita, o processamento de mistura das fases foi realizado com uma concentração sólido/líquido de 50%/50% em volume [DELIMA, 2009]. O processo de mistura dos pós nanocompósitos hidroxiapatita/Al2O3- sol-gel, foram realizadas por um período de 4h. A suspensão coloidal recuperada do moinho atritor passou pelo processo secagem em evaporador rotativo, fornecendo os pós nanocompósitos. A Figura 1 mostra o esquema geral de elaboração dos pós e biomateriais nanocompósitos.

Figura 1. Fluxograma representativo do processo de elaboração dos pós e biomateriais nanocompósitos

Nano HA Nano Al2O3-

Moinho atritor 4h

Secagem em evaporador

Pó nanocompósito

Compactação

Sinterização 1200ºC/2h

Biomaterial Nanocompósito

Caracterização

2.2. Caracterização Morfológica e Microestrutural

A caracterização morfológica e microestrutural foram realizadas com ajuda de um microscópio eletrônico de varredura, marca ZIESS, modelo DSM 940A, através do sistema de elétrons secundários (SE). Estes estudos foram realizados sobre os pós nanoestruturados recuperados do moinho atritor, e sobre as superfícies de fraturas dos biomateriais recuperados do ensaio mecânico.

2.3. Caracterização Física DRX

A difratometria de raios X (DRX) serviu de apoio na caracterização mineralógica, realizado com ajuda de um difratômetro de raios X (DRX) marca SHIMADZU, modelo X-RAY DIFFRACTOMETER LAB X XRD-6000, com anti-catodo tudo de cobre. Para obtenção dos difratogramas de raios X, utilizou-se uma tensão de 40 kv e intensidade de corrente de 30mA, sendo o intervalo angular de varredura de 5° a 80°, com velocidade do goniômetro de 2º/min em função de 2. Os estudos foram realizados sobre os pós nanocompósitos obtidos do moinho atritor.

2.4. Estudo do comportamento térmico

Os estudos do comportamento térmico tiveram como objetivo avaliar a curva ATD de análise térmica diferencial em função da temperatura. Para avaliação do comportamento térmico dos pós nanoestruturados, utilizou-se o equipamento de análise térmica NETZSCH, modelo Júpiter STA 449C, com sensibilidade de 1000μV/mV, com taxa de aquecimento de 10ºC/min.

2.5. Análise do Tamanho de Partículas

Para a determinação do tamanho das partículas para os pós nanocompósitos utilizou-se método de difração a laser, este estudo foi realizado com ajuda do analisador de partículas marca SHIMADZU modelo SALD-7001, com laser semicondutor azul-violeta ( = 405nm), o qual permite a determinação de tamanho de partículas de 10nm a 500µm.

2.6. Ensaio Mecânico à Flexão Três Pontos

O ensaio mecânico à flexão três pontos, foi realizado sobre corpos de prova com as dimensões 3mm de altura x 4mm largura x 30mm de comprimento. Estes foram preparados com ajuda de uma máquina Policorte marca ISOMET, utilizando disco de diamante com 0,8mm de espessura. Para determinação da resistência à flexão três pontos, utilizou-se uma máquina de ensaios mecânicos universal modelo DL 3000 EMC, com uma célula de carga de 1000Kg com taxa de deslocamento da transversa de 0,5mm/mun. A tensão de ruptura (σR) foi calculada através da seguinte equação:

Onde:

P = carga de ruptura

(Eq. 1)223

wbLP

R

L = distância entre os pontos de apoio inferiores

b = largura do corpo de prova

w = altura do corpo de prova

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

O método utilizado para mistura das composições de pós nanoestruturados por moinho atritor, se apresentou eficiente e conduziu a uma boa dispersão de uma segunda fase alumina- sol-gel na matriz hidroxiapatita.

3.1. Caracterização Morfológica e Microestrutural

Os estudos de caracterização morfológica foram realizados através técnica de microscopia eletrônica de varredura (MEV), utilizando o sistema de elétrons secundários (SE). Constatou-se nas micrografias obtidas sobre o pó nanoestruturado de hidroxiapatita uma morfologia formada por finas partículas nanométricas com tamanhos inferiores a d <100nm, se apresentando com formas equi-axiais (Fig. 2). Para o pó de hidroxiapatita recuperado do moinho atritor, observou-se uma modificação da morfologia das nanopartículas, observando agora uma morfologia formada por pequenos aglomerados. Outra constatação foi modificação superficial das nanopartículas, conforme ilustrado na Fig. 3.

Os resultados obtidos sobre os pós nanocompósitos com 1, 2, 3 e 5% em volume de alumina- sol-gel na matriz hidroxiapatita, mostraram claramente em suas micrografias, a modificação da morfologia da matriz hidroxiapatita, se apresentando como já observado na Fig. 3, uma morfologia formada por finas partículas aglomeradas com tamanho de aglomerados inferior a 500nm. Também se constatou a modificação da superfície das partículas da hidroxiapatita, ocorrido pelo processo de mistura das fases em moinho atritor, conforme pode ser constatado nas micrografias representadas pelas

Figura 3. Morfologia pó de HA nanoestruturada obtida do moinho atritor

Figura 2. Morfologia pó de HA nanoestruturada

Figs. 4, 5, 6 e 7. Outra constatação foi à boa dispersão da segunda fase de alumina-α sol-gel, dentro do pó da matriz hidroxiapatita. Observou-se também, que o tempo de 4 horas em moinho atritor, conduziu a uma boa dispersão, da segunda fase na matriz hidroxiapatita.

Figura 4. Morfologia pó Nanocompósito HA/Al2O3 1% em volume




Os resultados obtidos sobre a superfície de fratura, para os biomateriais recuperados da sinterização a temperatura de 1250ºC/2h, revelou para o biomaterial de hidroxiapatita uma microestrutura com contornos de grãos bem formados, indicando uma boa sinterabilidade do biomaterial (Fig. 9). Outra constatação foi o modo de fratura em posição inter-intragranular (Fig. 9). Para os biomateriais nanocompósitos com 1, 2, 3 e 5% em volume de alumina-α sol-gel na matriz hidroxiapatita, revelaram em suas micrografias, uma modificação significativa da microestrutura da matriz hidroxiapatita para os biomateriais nanoestruturados, constatando uma diminuição do tamanho de grãos, inferiores a 1,0μm, aumento da porosidade aberta (Figs. 10, 11 e 12). Obtendo-se microestruturas diferenciadas dos biomateriais convencionais, com micro grãos com formas equiaxiais e boa microporosidade, favoráveis a adesão celular na superfície de grãos e de microporos, características que podem oferecer melhorares condições os processos de osseointegração, osseoindução e de reparo de tecido ósseo, conforme já observado por outros autores [LEVANDOWSKI, 2009, CAMARGO, 2009, WEBSTER, 2003].

Outra constatação foi o aumento da porosidade aberta com o aumento da quantidade em volume de alumina- sol-gel na matriz hidroxiapatita (Figs. 10 11 e 12). A bibliografia tem mostrado que o aumento da porosidade, da área superficial de grãos e de microporos, oferece melhores condições de molhabilidade, de vascularização fornecendo assim, melhores condições para o reparo e a formação de um novo tecido ósseo [CAMARGO, 2012, LEVANDOWSKI, 2009, KAVAT, 2005].

Observando as microestruturas, constata-se o modo de fratura em posição inter-intragranular para as diferentes composições de biomateriais, conforme ilustrado nas micrografias representadas pelas Figs. 10, 11 e 13. Outra constatação foi à presença da segunda fase, alumina- sol-gel, dispersa em posição inter-intragranular na matriz hidroxiapatita.

Figura 10: Morfologia do biomaterial

nanocompósito 1%. Figura 9. Morfologia do biomaterial

de hidroxiapatita

3.2. Caracterização por Difratometria de Raios X

Os resultados obtidos através da difratometria de raios-X, sobre o pó de hidroxiapatita nanoestruturada, recuperada do moinho atritor, revelou em seu difratograma de raios X, a presença da fase hidroxiapatita na composição Ca10(PO4)6(OH)2, com plano principal de difração [211], no sistema estrutural cristalino hexagonal (Fig. 13).

10 20 30 40 50 60 70 800

100

200

300

400

500

600

700

***

[211]

* HA

* ** * ** *********

* ****

**

**

**

*****

*

*

*

Inte

nsid

ade

(CP

S)

2

Já para o pó de alumina-a sol-gel, constatou-se os picos bem definidos da alumina-a, representados pelos picos principais [104] e [113], com sistema cristalino romboedral, conforme ilustra o difratograma de raios X representado pela Fig. 14.

Figura 13. Difratograma de Raios X obtidos sobre os pós nanoestruturados hidroxiapatita recuperado do moinho atritor.

Figura 11: Morfologia do biomaterial nanocompósito 3%.

Figura 12: Morfologia do biomaterial nanocompósito 5%.

10 20 30 40 50 60 70 800

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600 * Al2O3- Sol-gel[104] [113]

*

*

*

*

*

**

**

*

Inte

nsid

ade

(CP

S)

2

Para os pós nanocompósitos recuperados do moinho atritor, constatou-se nos difratogramas de raios X, a presença da fase hidroxiapatita na composição Ca10(PO4)6(OH)2 e picos de baixa intensidade da fase alumina-conforme pode ser observado na Fig. 15. Outra observação foi a manutenção da intensidade dos picos de baixa intensidade da fase alumina-, com o aumento da concentração desta fase na matriz hidroxiapatita. Constatou-se também, que a presença da segunda fase e o processo de dispersão das fases por moinho atritor, não conduziu modificação das fases.

10 20 30 40 50 60 70 800

200

400

600

** * º º º* **

***

*

*

*

**

Função 2

Nan

ocom

p1%

0

200

400

600

*** ººº * *****

*

*

*

**Nan

ocom

p2%

0

200

400

600

**** º º º * *******

***

I (CPS)

Nan

ocom

p5%

Nan

ocom

p3%

0

200

400

600

*** *

* Ca10

(PO4)

6(OH)

2º Al

2O

3-

ººº+ * *****

**

*

**

Figura 14. Difratograma de Raios X obtidos sobre o pó nanoestruturados de Al2O3- sol-gel

Figura 15. Difratogramas de Raios X obtidos sobre os pós nanocompósitos hidroxiapatita/Al2O3-

Os resultados da difratometria de Raios X obtido sobre os biomateriais sinterizados a temperatura de 1250ºC/2h, revelaram em seus difratogramas de raios X, a presença das fases de fosfato de cálcio- e hidroxiapatita para a matriz hidroxiapatita. Já para os biomateriais nanocompósitos, constatou-se a presença das fases de fosfato de cálcio-, hidroxiapatita e alumina-, conforme ilustrado na Fig. 16. Outra constatação foi à presença de um elo longo entre 5 e 15º, indicando possivelmente, a presença de fosfato de cálcio amorfo, o que pode ser justificado pela temperatura de sinterização dos biomateriais a 1250ºC/2h e pela presença da segunda fase de alumina- nanométrica em posição inter-intragranular na matriz hidroxiapatita. Observou-se também, uma diminuição da intensidade dos picos da fase hidroxiapatita e uma elevação da intensidade dos picos da fase fosfato de cálcio-, isto pode estar associado à temperatura de sinterização e pela presença da segunda fase alumina- nanométrica, para o caso dos biomateriais nanocompósitos, caso já observado por outros autores que elaboram outros tipos de biomateriais nanocompósitos [SANTOS, 2009, SOARES, 2007].

10 20 30 40 50 60 70 800

100200300400500600

++ +* *+

+++*

* Ca10

(PO4)

6(OH)

2+ Ca3(PO4)2-º Al

2O

3-

HA

0100200300400500600

+º ** *+++

+ ++Nan

ocom

p3%

0100200300400500600

+**+ +++++º *

Função 2

Nan

ocom

p2%

0100200300400500600

++ ++++++* º *Nan

ocom

p1%

0100200300400500600

º ºº ++++++

+*

**

I (CPS)

Nan

ocom

p5%

3.3. Comportamento térmico

O estudo de caracterização realizado através do método de análise térmica diferencial, veio complementar os resultados obtidos pela técnica de difratometria de Raios X, conforme ilustrados na fig. 17. A figura 17 mostra as curvas obtidas da análise térmica diferencial (ATD), para o pó da matriz hidroxiapatita e nanocompósitos

Figura 16. Difratograma de Raios X obtidos sobre os biomateriais recuperados da sinterização a 1250ºC/2h.

HA/Al2O3- sol gel. Observa-se tanto para a matriz quanto para os nanocompósitos dois picos endotérmicos, sendo o primeiro a uma temperatura de 111,0oC, indicando perda de massa, a qual esta associado a eliminação de água adsorvida na superfície das partículas, sem modificação da estrutura cristalina. O segundo pico endotérmico ocorreu a aproximadamente à temperatura de 520oC indicando modificação da estrutura cristalina em razão da desidroxilação da hidroxiapatita.

Verificou-se para caso do pó nanoestruturado de hidroxiapatita, o segundo pico endotérmico em aproximadamente a temperatura de 1150oC, indicando transformação de fase da hidroxiapatita, para a fase fosfato de cálcio-β.

Já para os pós nanocompósitos, observou-se esta modificação aproximadamente à temperatura de 1080oC, caracterizada pelo segundo pico endotérmico. Cabe destacar que o terceiro pico endotérmico representados pelas curvas (ATD) ocorram nas temperaturas de 1275oC, 1252oC, 1265oC e 1240oC para as composições 1%, 2%, 3% e 5% em volume de Al2O3–α respectivamente, indicando a mudança da fase do fosfato de cálcio–β para a fase do fosfato de cálcio–α. Sabe-se da bibliografia, que a mudança da fase alotrópica do fosfato de cálcio- para fosfato de cálcio- se encontra em aproximadamente a temperatura de 1180ºC, dependendo do processo de obtenção dos pós de fosfato de cálcio. Observa-se nas curvas de ATD, para os pós nanocompósitos a formação alotrópica do fosfato de cálcio a temperatura superior a 1200ºC. Isto pode estar associado à cinética de difusão superficial de grãos, o que pode inibir a nucleação e crescimento dos grãos da fase fosfato de cálcio–β provocado pelas nanopartículas de Al2O3–α sol-gel, dispersas em posição inter-intragranular na matriz hidroxiapatita

3.4. Análise do Tamanho de Partículas

Os resultados obtidos da análise do tamanho de partículas pelo método laser estão representados pelas Figs. 18, 19, 20, 21 e 22. A Figura 18 mostra o resultado obtido sobre o pó de hidroxiapatita nanoestruturada, constatando-se no histograma uma distribuição do tamanho das partículas entre 10nm e 100nm, com uma mediana da

Figura 17. Curvas de análise térmica diferencial (ATD) para os pós

nanoestruturados

Concentração de partículas %

(m)


(m)


(m)


(m)

ordem de 50nm. Já para os pós nanocompósitos, se observou um comportamento semelhante entre os histogramas, constatando uma distribuição do tamanho das partículas para todas as composições de pós nanocompósitos, bastante semelhante ao obtido para a matriz hidroxiapatita, o que vem indicar que o tempo de 4h de moinho atritor, conduziu a obtenção de uma morfologia das partículas bastante semelhante entre as composições, conforme pode ser também observado nas micrografias representadas pelas Figs. 3, 4, 5, 6 e 7. Observando os histogramas, para as diferentes composições de pós nanoestruturados, pode-se considerar um valor médio para o tamanho das partículas da ordem de 50nm, conforme ilustram os histogramas representados pelas Figs. 18, 19, 20, 21 e 22.

Figura 19. Tamanho de Partículas para o pó HA/Al2O3- 1%



Figura 18. Tamanho de Partículas para o pó HA

(m)


3.5. Tensão de Ruptura à Flexão Três Pontos

Os biomateriais recuperados do processo de sinterização a temperatura 1250ºC/2h, depois de resfriado a temperatura ambiente a 25ºC. Estes foram preparados na forma barras com dimensões de 4,0 x 3,0 x 30,0 mm. Posteriormente foram submetidos a ensaio mecânico à flexão três pontos, para determinação do valor da tensão de ruptura.

A Tabela 1 ilustra os resultados da tensão de ruptura média e o desvio padrão para os diferentes biomateriais, constatou-se nos resultados da tensão de ruptura, uma queda significativa do valor da tensão de ruptura, se comparar o resultado obtido para a matriz hidroxiapatita com o biomateriais nanocompósitos (Tab. 1). Isto pode ser explicado pela modificação da área superficial das nanopartículas de hidroxiapatita e possivelmente pela presença de tensões residuais superficiais, ocorridas durante o processo de mistura das fases, em moinho atritor, o que pode ter levado a uma modificação da cinética de difusão superficial de grãos, inibindo a sinterabilidade dos biomateriais. Outro fator que possivelmente influenciou foi a presença da segunda fase alumina– sol-gel para o caso dos biomateriais nanocompósitos.

Tabela 1.Valores da Tensão de ruptura à flexão obtida para os diferentes biomateriais

Biomaterial Tensão de Ruptura Média (MPa)Hidroxiapatita 38,98 ±5,25Nanocompósito 1% 17,62 ±6,19Nanocompósito 2% 21,73 ±5,31Nanocompósito 3% 15,60 ±1,48Nanocompósito 5% 14,12 ±0,80

Para os biomateriais nanocompósitos, o valor da tensão de ruptura média, apresentou-se para o biomaterial nanocompósito com 2% de Al2O3-α sol-gel em sua composição, atingindo um valor para a tensão de ruptura de 21,73±5,31MPa.


Constatando-se, uma diminuição do valor da tensão de ruptura, para as concentrações de 3 e 5% em volume de Al2O3- sol-gel. Isto pode ser explicado pelo aumento da porosidade na microestrutura dos biomateriais, conforme já observado nas micrografias obtidas da superfície de fratura dos biomateriais. Outra constatação que justifica estes valores são os valores da densidade hidrostática e porosidade aberta dos biomateriais, constatando menor densidade hidrostática e maior porosidade aberta, para os biomateriais com 3 e 5 % em volume de Al2O3-α em suas composições.

4. CONCLUSÃO

Os biomateriais nanoestruturados de fosfato de cálcio e nanocompósitos são uma nova classe de biomateriais promissores em aplicações biomédicas na ortopedia, na traumatologia e na odontologia. Na ortopedia como elemento matricial na reconstituição do tecido ósseo, através de tratamentos preventivos da estrutura óssea, na traumatologia na recuperação e reconstituição de partes de tecido ósseo traumatizado e/ou perdido, na odontologia em tratamentos de carie, restauração direta, revestimentos, enchimento e reconstituição dental.

Os resultados obtidos neste trabalho colocaram em evidência, que o método de mistura das fases por moinho atritor, conduziu a uma boa dispersão da segunda fase nanométrica (Al2O3-) na matriz hidroxiapatita para todas as composições de pós nanocompósitos.

A deifratometria por raios X colocou em evidência a presença da fase hidroxiapatita, picos de baixa intensidade da segunda fase alumin-a recuperados do moinho atritor.

Para os biomateriais obtidos da sinterização observou-se uma diminuição das intensidades dos picos de hidroxiapatita e a presença da fase fosfato de cálcio-b.

O processo em moinho atritor forneceu pós nanoestruturados com uma morfologia formada por finas partículas aglomeradas. Outra observação foi à boa dispersão da segunda fase nanométrica de Al2O3-a na matriz hidroxiapatita. Para os biomateriais obtidos da sinterização, constatou-se nas micrografias a microporosidade interconectada, com tamanho de grãos inferiores ao m, outra observação foi à boa interface de grãos.

5. REFERÊNCIAS

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ELABORATION AND CHARACTERIZATION OF BIOMATERIALS NANOCOMPOSITES HA/-Al2O3 Sol-Gel FOR USE WITH MATRIX

FOR BONE RECONSTRUCTION

Nelson H. A. Camargo1, Sarah A. de Lima2, Júlio C. P. de Souza3,Pricyla Corrêa4

1,2Deptament of Mechanical Engineering, Santa Catarina State University, Joinville (SC), Brazil 3,4Program in Science and Engineering of Materials, Joinville (SC), Brazil

E-mail: [email protected]

Abstract. Nanostructured bioceramics calcium phosphate, are topics of research and scientific interests have been attracted, political, industrial and commercial, these biomaterials, bioactivity present different characteristics, microstructure, nanostructure, the surface area of grains and microporos, which are favorable for defect repair and reconstruction of bone tissue. The biomaterials nanocomposites hydroxyapatite/a-alumina nanocrystalline it’s a new class of biomaterials which can be promising for biomedical applications. These new nanomaterials are made with a new architecture microstructure, nanostructure with interconnected microporosity, other important factors it is surface area of grains and microporos differentiated from conventional biomaterials. The aim of this research was synthesis and characterization of nanostructured hydroxyapatite powders, for after elaboration the biomaterial hydroxyapatite/α-Al2O3 sol-gel nanocomposites at concentrations of 1, 2, 3 and 5% by volume of -alumina nanocrystalline dispersed in a position inter-intragranular hydroxyapatite within the matrix. This method allows the production of nanostructured hydroxyapatite powders formed by fine nanoparticles size smaller than 100nm. The method by attrition milling was used for preparation of nanocomposites powders. This provided after the nanocomposites with good dispersion of second phase a-Al2O3 in position inter-intragranular in the matrix hydroxyapatite. The characterization studies were performed in terms of morphology, microstructure, nanostructure and the thermal behavior. The X-ray diffraction and analysis particles were also used to powders recovered nanostructured from attrition mill. We also determined the mechanical properties for the different compositions of biomaterials sintered at 1250 º C/2 h.

Keywords: Elaboration, Characterization, Nanocomposites, Biomaterial.

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