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Revista CENIC. Ciencias Químicas
ISSN: 1015-8553
Centro Nacional de Investigaciones Científicas
Cuba
Paz Ramos, Adrian; Martín Pazos, Leonardo; Belén Parodi, María; Ybarra, Gabriel Omar; López,
Mónica; González Ruiz, Jesús Eduardo
Deposición de recubrimientos apatíticos en disoluciones con elevado contenido de calcio y fósforo e
inclusiones de iones magnesio
Revista CENIC. Ciencias Químicas, vol. 41, 2010, pp. 1-11
Centro Nacional de Investigaciones Científicas
La Habana, Cuba
Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=181620500009
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Deposición de recubrimientos apatíticos en disoluciones con elevado contenido de calcio y fósforo e inclusiones de iones magnesio
Apatitic coatings deposition from solutions with high content of calcium and
phosphorus and inclusions of magnesium ions
Adrian Paz Ramos1, Leonardo Martín Pazos2, María Belén Parodi2, Gabriel Omar Ybarra2, Mónica López1 y Jesús Eduardo González Ruiz1
1 Departamento de Investigación y Desarrollo. Dirección de Química. Centro Nacional de Investigaciones Científicas, Avenida 25 y 158, Código Postal 6414, Playa, Ciudad
de La Habana (Cuba)
2 Instituto Nacional de Tecnología Industrial, Avenida General Paz 5445, Código Postal B1650WAB, San Martín, Buenos Aires (Argentina)
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Deposición de recubrimientos apatíticos en disoluciones con elevado contenido de calcio y fósforo e inclusiones de iones magnesio
RESUMEN Introducción: El método biomimético ha encontrado una gran aceptación en la aplicación de recubrimientos de fosfatos de calcio sobre materiales bioactivos debido a su flexibilidad, simplicidad tecnológica, posibilidad de obtener recubrimientos con similar composición química y de fases que la matriz inorgánica del hueso y no requerir de instalaciones especiales y de elevadas temperaturas para su implementación. En este trabajo se realiza una comparación entre recubrimientos obtenidos en disoluciones con y sin inclusiones de iones Mg2+. Materiales y métodos: Dieciséis láminas de titanio comercialmente puro (10 mm x 5 mm x 2 mm) fueron pulidas empleado lijas de carburo de silicio (120, 220, 400 y 600 mesh), las mismas fueron sometidas a diferentes tratamientos químicos y químico – térmicos. Posteriormente a la activación, las muestras fueron inmersas en una disolución con elevado contenido de calcio y fósforo con inclusiones de iones Mg2+ a 37 oC durante 24 h. Los recubrimientos se caracterizaron mediante Espectroscopia Infrarroja a Transformada de Fourier, Difracción de Rayos X, Microscopia Electrónica de Barrido y Energía Dispersiva de Rayos X. Resultados y discusión: Se obtuvieron depósitos apatíticos en su forma cristalina y partículas con dimensiones nano o submicrométricas, en los que coexisten zonas con elevada nanoporosidad y láminas orientadas perpendicularmente a las superficies tratadas y zonas con elevada densidad y partículas orientadas paralelamente a la superficie del substrato. Conclusiones: La variante desarrollada permite obtener recubrimientos apatíticos sobre las cuatro superficies estudiadas con características similares. La inclusión de iones Mg2+ a las disoluciones no afectó la morfología y porosidad de los recubrimientos obtenidos.
Palabras Claves: Recubrimiento; Magnesio; Hidroxiapatita; Método Biomimético; Titanio. ABSTRACT Introduction: The biomimetic method has found wide acceptance in the application of calcium phosphate coatings on bioactive materials due to its flexibility, technological simplicity, possibility of obtaining coatings with chemical composition and phases similar to the mineral part of bone and because do not require special facilities and high temperatures for its implementation. In this work we realized a comparison between the coatings obtained employing solution with Mg2+ ions and without this element. Materials and Methods: Sixteen plates of commercially pure titanium (15 mm x 5 mm x 2 mm) were successively polished with 120, 220, 400 and 600 grit silicon carbide emery paper, then they were subjected to different chemical and thermochemical treatments. Following activation, the samples were immersed in a solution with high content of calcium and phosphate ions with additions of Mg2+ at 37 oC for 24 h. The coatings were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray diffraction, scanning electron microscopy and X-ray energy dispersive spectroscopy. Results and discussion: Apatitic deposits were obtained in crystalline form and particles with nano and submicrometric size. Besides, the coatings exhibit areas with high nanoporosity and plates oriented perpendicular to the treated surfaces and areas with high density and particles oriented parallel to the substrate surface. Conclusions: The developed variant allows to obtain apatitic coatings on the four conditions researched with similar characteristics. The addition of Mg2+ did not affects the morphology and porosity of the layer obtained.
Keywords: Coating; Magnesium; Hydroxyapatite; Biomimetic method; Titanium.
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INTRODUCCIÓN El titanio y sus aleaciones han sido ampliamente utilizados en la confección de implantes dentales y de endoprótesis articulares debido a sus propiedades mecánicas y bioactividad (1-4). No obstante, su proceso de osteointegración resulta lento y en ocasiones puede requerir de varios meses (5,6), afectando la calidad de vida de los pacientes implantados. Es por ello que en la actualidad se destinan cuantiosos recursos para el desarrollo de nuevos tratamientos superficiales de dichos materiales. En diferentes trabajos ha quedado demostrado que la modificación de la topografía, energía superficial y la composición elemental y de fases de estos materiales a nivel superficial pueden generar significativos incrementos de la velocidad de la osteointegración (7), y de la calidad y cantidad del nuevo hueso formado. Los tratamientos en fluido biológico simulado han despertado el interés de numerosos investigadores debido a que posibilitan obtener una composición elemental y de fases similar a la presentada por el componente inorgánico del hueso (8,9) A ello es necesario adicionar que no requieren de instalaciones especiales y de elevadas temperaturas para su implementación y que posibilitan el tratamiento de agujeros y de superficies irregulares. No obstante, la duración de los procesos (10,11), y las propiedades mecánicas de sus revestimientos, han limitado la extensión de dicho método al tratamiento de prótesis e implantes. Dentro de las variantes más utilizadas para acortar los tiempos de deposición de los recubrimientos biomiméticos se encuentra el uso de disoluciones con elevado contenido de iones calcio y fosfato (12-15), así como la incorporación a dichas disoluciones de sales portadoras de iones magnesio (16,17). Además, la inclusión de dicho elemento en las disoluciones posee un efecto positivo sobre los recubrimientos al disminuir el tamaño de sus partículas y los valores de su rugosidad superficial (16,18). La velocidad de la deposición de los recubrimientos biomiméticos sobre titanio, también depende de la rugosidad superficial y de la composición química y de fases presente en las superficies a tratar (19-21) Es por ello que se reporta la realización de múltiples trabajos destinados a variar dichos parámetros. Dentro de las variantes de activación del titanio más empleadas se encuentran los tratamientos térmicos y los tratamientos en disoluciones de H2O2 y NaOH (19-21). El objetivo central de este trabajo consiste en la valoración del efecto de cuatro variantes de activación superficial del titanio sobre la deposición de recubrimientos en disoluciones que poseen elevado contenido de iones calcio y fosfato e inclusiones de iones magnesio.
PARTE EXPERIMENTAL Dieciséis láminas de titanio comercialmente puro (Ti - cp) de 15 × 5 × 1 mm fueron sucesivamente pulidas empleando lijas de carburo de silicio de 120, 280, 400 y 600 mesh. Luego se dividieron en cuatro grupos y fueron sometidas a procesos de limpieza y de activación. Se utilizaron cuatro variantes de tratamiento para activar las muestras (tabla 1). Al finalizar los procesos de grabado ácido y de oxidación 1 y 3 se enjuagaron las probetas con agua destilada y se secaron en una estufa a 60 oC durante 1 h.
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Tabla 1. Tratamientos de activación empleados.
Grupo Tratamiento Características del tratamiento A Grabado ácido HF 2,75 mol/l y HNO3 3,94 mol/l, con relación v/v 1:1,
durante 2 min a temperatura ambiente B Oxidación 1 Grabado ácido + tratamiento en H2O2 8,8 mol/l y HCl
0,1 mol/l, con relación v/v 1:1, a 80 oC durante 30 min. C Oxidación 2 Grabado ácido + oxidación 1 + tratamiento térmico a
400 oC durante 1 h al aire. D Oxidación 3 Grabado ácido + oxidación en disolución de NaOH 10 M
a 60 oC durante 24 h.
Se confeccionaron dos disoluciones con elevado contenido de iones calcio y fosfato (Tabla 2). En la disolución 2 se incluyó magnesio para evaluar su efecto sobre las características de los recubrimientos, mientras que en la disolución 1 no se adicionó dicho elemento con el propósito de utilizar los depósitos resultantes como referencia. Durante la preparación de la disoluciones, se disolvieron durante 10 min de forma sucesiva CaCl2, MgCl2·6H2O (en la disolución 2), NaH2PO4 y NaHCO3 en 500 ml de agua destilada. El proceso de disolución de las sales se realizó en un baño termostatado, ajustando la temperatura a 37 oC y la agitación a 200 rpm.
Tabla 2. Masa de sales empleada en la preparación de las disoluciones (500 ml).
Disolución Masa de sales (mg) CaCl2 MgCl2·6H2O NaH2PO4 NaHCO3
1 555 --- 150 63 2 555 0,140 150 63
Las probetas previamente activadas fueron anudadas con un hilo fino de algodón por uno de sus extremos y sumergidas en 500 ml de disolución. La deposición de los recubrimientos se realizó en un reactor de polietileno, empleando un régimen de exposición de 37 oC - 24 h, una agitación del baño de 80 rpm y un valor inicial del pH en ambas disoluciones de 6,20. Concluido el tratamiento se procedió a extraer las probetas de las disoluciones, se enjuagaron abundantemente con agua destilada y se colocaron en una desecadora. Los recubrimientos se depositaron en superficies tratadas con las cuatro variantes de activación investigadas y en todos los casos fueron replicados. La medición de los valores del pH durante el proceso de preparación de las disoluciones y en el proceso de recubrimiento, se realizó en un pHmetro digital marca Pracitronic modelo MV870. La determinación de los grupos funcionales presentes en el precipitado se realizó empleando un Espectrofotómetro a transformada de Fourier marca Beijing Rayleigh modelo WQF-510, mientras que el análisis de los grupos funcionales presentes en los recubrimientos se usó un Espectrofotómetro a transformada de Fourier (FTIR) marca Nicolet Magna 550 Serie II. Para determinar las fases presentes en los depósitos se empleó un equipo marca Philips PW1730 (Radiación Kα: Cu). En la identificación de las fases presentes en el recubrimiento se utilizó la base de datos PCPDFWIN, versión 2.4 ICDD PDF-2 / 2003. La morfología de las muestras se caracterizó mediante Microscopía Electrónica de Barrido, utilizando un microscopio marca Philips SEM 505 para bajos aumentos, y un microscopio FESEM Zeiss Supra 40 para aumentos mayores a 5000x. Además, se identificaron los elementos que componen la capa utilizando una Sonda Dispersiva en Energía (EDS) acoplada al microscopio electrónico de barrido.
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN La curvas que reflejan el comportamiento del valor medio del pH de las disoluciones 1 y 2 (Figura 1 A y B), se caracterizaron por presentar tres etapas bien diferenciadas entre sí. En la primera (I), se generó un incremento sensible de dicho parámetro hasta alcanzar el valor máximo alrededor de la segunda hora de exposición. Posteriormente, entre las 2 y 6 h se produjo una disminución brusca de este factor (etapa II) y por último se redujo de forma gradual hasta la conclusión del tratamiento a las 24 h (etapa III). El comportamiento del pH se explica por la disociación de iones inorgánicos y por la posterior formación de núcleos apatíticos en la superficie de las muestras de titanio y en la disolución. Durante la etapa II se observó la formación de precipitados en forma de diminutas partículas blancas tanto en la superficie de las probetas como en las disoluciones. Los valores máximos del pH en las disoluciones estudiadas presentaron diferencias, observándose un valor de 6,40 ± 0,3 en las que no se incluyó iones magnesio (Figura 1 A), mientras que en las que se adicionó dicho elemento (Figura 1 B) alcanzó un nivel de 6,63 ± 0,5. También en el valor mínimo del pH presentado por ambas disoluciones se apreciaron diferencias (5,95 ± 0,3 en la primera, Figura 1 A) y 5,71 ± 0,6 en la segunda Figura 1 B). En los espectros IR de los precipitados y del recubrimiento obtenidos a partir de la disolución 2 (con magnesio) se observaron las bandas correspondientes a los grupos principales de la hidroxiapatita (Figura 2 a y b). En los 1040 y 1091 cm-1 se apreció la señal más importante de la hidroxiapatita, la vibración antisimétrica de los fosfatos de calcio υ3
as(PO43-) y la vibración simétrica en los 952 cm-1. Sobre los 561 y 606 cm-1 se
observó la vibración antisimétrica υ4as(PO4
3-). La vibración principal del grupo hidroxilo (OH-) se apreció sobre los 3572 cm-1 (Figura 2). Además, se observó en todos los casos una banda sobre los 635 cm-1, la cual corresponde al doblaje fuera del plano (ρ) del grupo OH- estructural. La señal situada sobre los 1643 cm-1, pertenece a agua de humedad (22,23). Similares fases se identificaron en los espectros correspondientes a los precipitados y a los recubrimientos obtenidos en la disolución 1 (no mostrados).
Figura 1. Comportamiento del pH en las disoluciones. A: disolución 1 (sin Mg), B:
disolución 2 (con Mg).
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Figura 2. Espectro (FT – IR) del precipitado (a) y del recubrimientos (b) depositado en el titanio activado mediante la variante C.
Los ensayos de FT – IR no detectaron la formación de fosfatos de magnesio en los precipitados y en los recubrimientos obtenidos en la disolución 2, comportamiento probablemente vinculado a que en los espectros las principales señales de este compuesto se encontraban solapadas con las bandas principales correspondientes a la hidroxiapatita (1040, 1135 y 3260 cm-1) (24). La coincidencia de los espectros obtenidos en los precipitados y en los recubrimientos indica similar composición de fases en ambos (Figura 2). En los difractogramas (DRX) de las muestras recubiertas en la disolución con inclusiones de magnesio (2) se reveló titanio, hidroxiapatita cristalina (Ca10(PO4)6(OH)2) y fosfato dicálcico (CaHPO4.2H2O) (Figura 3). La presencia en dicho difractograma de los picos correspondientes al titanio se justifica porque las capas apatíticas resultan delgadas.
Figura 3. Difractograma (DRX) de recubrimiento apatítico depositado sobre titanio activado mediante la variante D.
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En las muestras tratadas con la disolución 1 (patrón) se observó un recubrimiento con zonas densas (Figura 4), con dimensiones de partículas en escala nanométrica o submicrómetrica. Además, en la superficie del depósito se apreciaron algunas microgrietas, las que resultan típicas de los recubrimientos biomiméticos. También se observaron algunas zonas con depósitos no densos, formados por numerosas láminas orientadas perpendicularmente a las superficies tratadas.
Figura 4. Micrografía (MEB) de la superficie de recubrimiento depositado empleando la disolución 1 sobre la superficie de titanio activada con la variante C.
Las micrografías de las muestras pertenecientes a las cuatro variantes de activación estudiadas, después de su tratamiento en la disolución 2, mostraron la presencia de recubrimientos apatíticos (Figura 5). En todos los casos se revelaron depósitos heterogéneos, con similar morfología a los obtenidos empleando la variante 1, en los que se apreciaban dos zonas claramente definidas. Una zona se encontraba formada por una capa densa, con partículas orientadas de forma paralela a la superficie recubierta y dimensiones inferiores a los 200 nm. En el resto del recubrimiento se observaron láminas que crecieron preferentemente de forma perpendicular a las superficies. Dichas láminas mostraron un espesor inferior a los 50 nm y usualmente se encontraban unidas entre sí. Además, en la segunda zona se observó una significativa porosidad y dimensiones de poros generalmente inferiores a 1 μm (ampliación en la Figura 5 A, B, C y D).
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Figura 5. Micrografía (MEB) de los depósitos obtenidos en la disolución 2 sobre las superficies estudiadas. Las letras se corresponden con la variante de activación
utilizada.
En general, no se apreciaron diferencias significativas en la morfología de los recubrimientos obtenidos sobre las cuatro variantes de activación del titanio estudiadas. No obstante, las zonas cubiertas por el depósito denso en las muestras recubiertas con la disolución 1 (sin Mg) resultaron superiores a las obtenidas con la disolución 2 (con Mg). El análisis de la composición elemental (EDS) de los recubrimientos depositados en la superficie de titanio a partir de las variantes 1 y 2, permitió determinar la presencia de calcio y fósforo en cantidades apreciables, además de oxígeno y titanio (Figura 6 A y B). Adicionalmente, en las muestras recubiertas en la disolución 2 y activadas mediante la variante D, se detectó la presencia de magnesio en los recubrimientos (Figura 6 B). En el resto de las muestras tratadas en dicha disolución no se reveló la presencia de este elemento (espectros no mostrados).
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Figura 6. Espectros (EDX) de los recubrimientos obtenidos empleando dos
combinaciones de tratamiento. A – variante de activación 3 y tratamiento en la disolución 1, B - variante de activación 4 y tratamiento en la disolución 2.
CONCLUSIONES Se obtuvieron recubrimientos apatíticos en disoluciones con elevado contenido de iones calcio y fosfato con y sin inclusiones de iones magnesio sobre láminas de titanio comercialmente puro activado mediante tratamientos químicos y termoquímicos. Dichas capas se caracterizan porque cubren las superficies tratadas, el componente principal del recubrimiento resulta el calcio y porque en ellas predomina una estructura de tipo apatítica. Además, se distinguen por la presencia de zonas con elevada microporosidad. Se aprecia que no existen diferencias significativas en la composición de fases y en la morfología presentada por los recubrimientos depositados en las disoluciones con y sin magnesio. Se determina que la inclusión de iones magnesio influye sobre las curvas de pH de las disoluciones estudiadas, al afectar los valores mínimos y máximos de este parámetro. Además, la inclusión de dicho elemento en las disoluciones permite obtener recubrimientos de fosfatos de calcio sobre las superficies del titanio tratadas empleando las cuatro variantes de activación estudiadas. AGRADECIMIENTOS Los autores deseamos expresar nuestra gratitud a la cancillería de la República de Argentina y al Ministerio Ciencia y Tecnología de la República de Argentina por el soporte financiero realizado al presente trabajo mediante los proyectos FOAR 5714 y CU/08/13. También deseamos agradecer al Instituto de Tecnología Industrial (Argentina) y al Centro de Biomateriales de la Universidad Politécnica de Valencia (España) por su colaboración en la realización de los ensayos.
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