EQ-vol30n04 - primeiras pags.pmd 13 Volume 30, número 4, 2005 www.scielo.br/eq Ecl. Quím., São Paulo, 30(4): 13-18, 2005 Influência dos íons K+ e Mg2+ na obtenção de apatitas biomiméticas 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+, HCO 3 -, K+ e Na+. Alguns destes elementos são conhecidos como inibidores do crescimento da HA, como Mg2+ e HCO 3 -. 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 CO 3 2- em sua composição. Palavras-chave: apatitas biomiméticas; inibição da formação de HA; apatitas carbonatadas; magnésio; potássio. 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 [Ca 8 H 2 (PO 4 ) 6 .5H 2 O], Monohidrogênio fosfato de cálcio dihidratado - DCPD [CaHPO 4 .2H 2 O], Hidroxiapatita deficiente em cálcio, também denominado de Fosfato de Cálcio Amorfo - ACP [Ca 3 (PO 4 ) 2 .nH 2 O] e Fosfato tricálcico - TCP [Ca 3 (PO 4 ) 2 ], também ocorrem em tecidos calcificados, o que vem despertado interesse significativo nas possibilidades de utilização como biocerâmica [5]. EQ-vol30n04 - 02.pmd 26/12/2005, 19:1813 14 Ecl. Quím., São Paulo, 30(4): 13-18, 2005 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+, HCO 3 -, K+ e Na+. Alguns destes elementos são conhecidos como inibidores do crescimento da HA, como Mg2+ e HCO 3 - [7-8]. Barrere et al., utilizando- 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 (2θ), 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]. Figura 1: Recobrimento de apatita por imersão em SBF 0: a) MEV 1000X, b) EDX, c) DRX e d) espectro vibracional de IV. se diferentes SBF, concluíram que Mg2+ possui efeito inibitório maior no crescimento da HA do que HCO 3 - [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 Tabela 1: Concentrações iônicas das soluções SBF utilizadas (mmol.dm-3). EQ-vol30n04 - 02.pmd 26/12/2005, 19:1814 15Ecl. Quím., São Paulo, 30(4): 13-18, 2005 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 PO 4 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 CO 3 2: tipo A, que substitui os íons OH-, e tipo B que substitui os íons PO 4 [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 2,81 Mg 0,19 (PO 4 ) 2 e de TiO 2 , este último devido à oxidação do Ti c.p. O espectro vibracional de IV mostrou além das bandas referentes aos grupos PO 4 (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 PO 4 (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 CO 2 do ar, durante o período de imersão, figura 3. Figura 2: Recobrimento de apatita por imersão em SBF 0 e posterior tratamento térmico a 800ºC: a) MEV 1000X, b) EDX, c) DRX e d) espectro vibracional de IV. Figura 3: Recobrimento de apatita por imersão em SBF 1: a) MEV 1000X, b) EDX, c) DRX e d) espectro vibracional de IV. EQ-vol30n04 - 02.pmd 26/12/2005, 19:1815 16 Ecl. Quím., São Paulo, 30(4): 13-18, 2005 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 PO 4 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 PO 4 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 [Mg 3 (PO 4 ) 2 ] e β-Ca 2,59 Mg 0,41 (PO 4 ) 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 PO 4 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. Figura 4: Recobrimento de apatita por imersão em SBF 1 e posterior tratamento térmico a 800ºC: a) MEV 1000X, b) EDX, c) DRX e d) espectro vibracional de IV. Figura 5: Recobrimento de apatita por imersão em SBF 2: a) MEV 1000X, b) EDX, c) DRX e d) espectro vibracional de IV. Figura 6: Recobrimento de apatita por imersão em SBF 2 e posterior tratamento térmico a 800ºC: a) MEV 1000X, b) EDX, c) DRX e d) espectro vibracional de IV. Recobrimento por SBF 3 O recobrimento obtido por imersão em SBF 3 apresentou morfologia predominante de fosfato de cálcio amorfo, resultado este confirmado por EQ-vol30n04 - 02.pmd 26/12/2005, 19:1916 17Ecl. Quím., São Paulo, 30(4): 13-18, 2005 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, PO 4 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 Figura 7: Recobrimento de apatita por imersão em SBF 3: a) MEV 1000X, b) EDX, c) DRX e d) espectro vibracional de IV. 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 β-TCP. O espectro vibracional de IV apresentou bandas características dos grupos PO 4 em 475 cm-1 e OH da HA em 635 cm-1 [9, 11-12], figura 8. Figura 8: Recobrimento de apatita por imersão em SBF 2 e posterior tratamento térmico a 800ºC: a) MEV 1000X, b) EDX, c) DRX e d) espectro vibracional de IV. 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 Mg 3 (PO 4 ) 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 HCO 3 - não estava presente. O tratamento térmico das amostras também favoreceu a formação de TiO 2 devido à oxidação do Ti c.p. Recebido em: 06/07/2005 Aceito em 05/10/2005 A.H. Aparecida, M. V. L. Fook, M. L. dos Santos, A. C. Guastaldi. Influence of ions K+ and Mg2+ in the attainment of biomimetic apatites. 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+, HCO 3 -, K+ and Na+. Some of these elements are known as inhibiting of the growth of the HA, as Mg2+ and HCO 3 -. 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 EQ-vol30n04 - 02.pmd 26/12/2005, 19:1917 18 Ecl. Quím., São Paulo, 30(4): 13-18, 2005 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 CO 3 2- ion in its composition. Key-words: biomimetic apatites; inhibition of HA formation; carbonated apatites; magnesium; potassium. Referências [1] F. Watari, A. Yikoyama, F. Saso, M. Uo, T. Kawasaki, Composites 28(B) (1997) 5. [2] Q.L. Feng,. F.Z. Cui, H. Wang, T. N. Kim, J. O. Kim, J. Of Crystal Growth 210 (2000) 735. [3] T. 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