síntesis y caracterización de hidroxiapatita para ... · decantación del sobrenadante. posterior...

Síntesis y caracterización de hidroxiapatita para implantes

biomédicos

A Martinelli 1, M C Novoa

2, C Oldani

3, A Corominas

4

Laboratorio de Materiales y Tecnología, Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y

Naturales, Universidad Nacional de Córdoba, Córdoba, Argentina

[email protected], [email protected],

[email protected], [email protected]

Resumen. El propósito de este trabajo consiste en el estudio, obtención y caracterización de

hidroxiapatita. Este es un cerámico de alta biocompatibilidad que posibilita su uso en variadas

aplicaciones médicas. La hidroxiapatita (HA) es un fosfato de calcio con una composición química muy similar a la del hueso humano, lo cual la hace biocompatible con los tejidos

vivos. Las fuentes de obtención de la hidroxiapatita que se van a utilizar son dos de origen

natural, y una obtenida químicamente. A las naturales (hueso de vaca y hueso humano) se le

realizó un tratamiento térmico a fin de eliminar el componente orgánico del hueso, aislando

una matriz mineral y cristalina. En tanto que, la tercera opción de obtención, fue una reacción

química a base de nitrato de calcio y fosfato de amonio, que dio como resultado un fosfato de

calcio, al cual se sometió luego, a tratamientos térmicos para conseguir el grado de

cristalinidad requerido. A fin de caracterizar las muestras, y comprobar la cristalinidad de las

mismas, se requirió de técnicas de Difracción de Rayos X. Las muestras se molieron y se

tamizaron para obtener distintas granulometrías que luego fueron sometidas a procesos de

sinterizado. Se analizó las características de los poros obtenidos para relacionarlos con la osteointegración, mediante microfotografía y software de captura digital, con calibración del

orden de magnitud de interés.

Palabras claves: fosfato de calcio, cristalinidad, osteointegración

1. Introducción

La hidroxiapatita (HA), es un fosfato de calcio cuya fórmula corresponde a: Ca10 (PO4)6(OH) 2con una

relación molar (Ca\P)=1.67. Pertenece a una familia de minerales denominados Apatitos. La HA presenta carácter iónico, y su estructura cristalina puede describirse como un

empaquetamiento hexagonal compacto de átomos de oxigeno con los metales ocupando los huecos

tetraédricos y octaédricos de la red periódica así formada [1].

1 Pasante de Laboratorio de Materiales y Tecnología 2 Pasante de Laboratorio de Materiales y Tecnología 3 Jefe de Cátedra de Biomateriales, Laboratorio de Materiales y Tecnología 4 Jefe de Trabajos Prácticos de Cátedra de Biomateriales, Laboratorio de Materiales y Tecnología

XVIII Congreso Argentino de Bioingeniería SABI 2011 - VII Jornadas de Ingeniería Clínica Mar del Plata, 28 al 30 de septiembre de 2011

mailto:[email protected]



El interés de la hidroxiapatita como biomaterial viene dado por su similitud con la fase mineral del

tejido óseo. En principio, sería el material idóneo tanto para restauración como sustitución ósea si no

fuera por su baja resistencia mecánica [2], incluso en forma de compactos densos. Así, pues, su uso se restringe a todas aquellas aplicaciones donde no se requieran esfuerzos mecánicos, encontrando su

más amplio campo de aplicación actualmente como recubrimiento de substratos metálicos [3], al

objeto de acelerar e incrementar la fijación de las prótesis al hueso. Otras aplicaciones son: a) recubrimiento en prótesis dentales y maxilofaciales; b) implantes

dentales; c) otorrinolaringología; d) aumento de la cresta alveolar; e) defectos periodentales; f)

reconstrucción maxilofacial; g) cirugía espinal: h) recubrimientos pulpares, etc. [4] Existen diferentes

formas de obtener hidroxiapatita, puede ser a partir de corales marinos, por calcinación de huesos o sintéticamente [5, 7,13].

Para la producción sintética de HA, puede suministrarse la fuente de calcio en forma de soluciones

acuosas de: CaCL2, Ca (NO3)2, CaCO3 o Ca (CH3COO)2 y como fuentes de fosfatos pueden emplearse soluciones acuosas de (NH4)2HPO4, NH4H2PO4, KHPO4, N2HPO4, o NaH2PO4. Rodríguez y col. [14],

describieron el proceso para producir HA sintética por el método de precipitación continua, a través de

la utilización de fosfato de amonio y nitrato de calcio altamente purificados, obteniéndose un material

con características microestructurales apropiadas y propiedades osteoconductivas.

La HA sintética porosa tiene una estructura compuesta por calcio, fosforo e iones hidroxilo (Ca10

(PO4)6(OH)2) compatible con los tejidos vivos y tiene una estructura similar al hueso; es estéril,

osteoconductiva (actúa como un andamio dirigiendo el crecimiento de capilares, tejido perivascular y células desde el hueso y tejidos blandos circundantes hacia el interior del injerto) y posee una

excelente osteointegración. La HA se relaciona con el hueso circundante de una manera estrecha y

estable tanto química como físicamente, permitiendo así que los procesos de reparación se desarrollen como si se tratara de dos tejidos óseos en estrecho contacto [5,6,9].

La seguridad y efectividad de la HA han sido confirmadas en experimentos animales y en un

amplio rango de campos clínicos, como ya fueron mencionados, la cirugía plástica, la cirugía

ortopédica, la neurocirugía y la cirugía oral/maxilofacial [8,10 ,13]. Como objetivos del presente trabajo, nos proponemos profundizar los conocimientos en la

hidroxiapatita como Biocerámico de numerosas aplicaciones médicas, que van desde el recubrimiento

de prótesis metálicas hasta su uso como sustituto óseo, por su similitud con la matriz ósea humana. Nos interesa definir las fuentes de obtención de la HA, comparar las propiedades de las muestras

obtenidas por los distintos métodos, analizar la vía de acceso más conveniente en términos no solo

mecánicos sino también económicos y de disponibilidad del biomaterial.

2. Desarrollo Experimental

2.1 Síntesis y caracterización de HA sintética La reacción base para su obtención por la vía del nitrato de calcio/ fosfato de amonio es:

10 Ca (NO3)2.4H2O + 6 NH4H2PO4 + 14 NH4OH Ca10 (PO4)6(OH)2 +20 NH4NO3 + 52 H2O.

Se utilizaron reactivos analíticos y de acuerdo con su peso molecular se calcularon las cantidades

estequiométricas. Se utilizaron 23.5 g de nitrato de calcio y 7 g de fosfato de amonio.

2.1.2 Preparación de la solución de nitrato de calcio

Para la disolución del nitrato de calcio se utilizó un agitador mecánico a 110 r.p.m de aspas de acero inoxidable, utilizando recipientes de plástico, con el fin de evitar contaminación metálica, provistos de

tapa perforada para evitar contaminación del ambiente. Se disolvieron 23.5 g de Ca (NO3)2 en 550 ml

de H2O destilada. Seguidamente se adicionaron 62.5 ml de NH4OH y por último se agregó H2O

destilada hasta alcanzar un volumen total de 1800 ml [11].


2.1.3 Preparación de la solución de fosfato de amonio

Se siguieron los mismos parámetros de agitación que en el procedimiento anterior, se tomaron 7 g de

NH4H2PO4, se diluyeron en 850 ml de H2O destilada. Luego se adicionaron 37.5 ml de amoníaco (NH4OH). Se ajustaron 3000 ml de volumen total con H2O destilada.

2.1.4 Procedimiento de reacción Se adicionó el fosfato de amonio sobre el nitrato de calcio a una tasa de 3000 ml/h, por medio de una

manguera de caucho, con agitación por 24 horas y seguida de reposo por el mismo tiempo para una

decantación del sobrenadante. Posterior a ello se realizaron 2 lavados con H2O destilada con agitación

durante 18 horas. Finalmente se le hizo una separación sólido-líquido mediante centrifugación.

2.1.5 Tratamiento térmico

La HA obtenida fue secada a 110°C durante 2.5 horas y posteriormente llevada a 1050°C durante idéntico periodo de tiempo. De este modo con la alta temperatura alcanzada en el proceso, se

proporciona cristalinidad a la HA.

2.2 Obtención de HA de fuentes naturales

2.2.1Materiales

Hemos trabajado con vertebras humanas y huesos largos (de pata y ossobuco) de vaca.

2.2.2 Tratamiento térmico

El objetivo de someter a las muestras óseas de origen animal y humano a un tratamiento térmico es el de eliminar el componente orgánico de las piezas, para de este modo aislar la matriz mineral de interés

para el presente estudio. Para el proceso utilizamos un estufa eléctrica tipo muffla, con el cual

alcanzamos la temperatura de 850 °C con una meseta en la rampa de calentamiento de 2.5 horas.

2.3 Caracterización de la HA

2.3.1 Difracción de Rayos X (DRX) Su aplicación fundamental, es la identificación cualitativa de la composición mineralógica de una

muestra cristalina. La difracción está basada en las interferencias ópticas que se producen cuando una

radiación monocromática atraviesa una rendija de espesor comparable a la longitud de onda de la radiación. Se realizó la correlación para identificar por DRX los posibles tipos de fosfatos de calcio,

asociados a la HA e identificar esas fases mineralógicas en microfotografías tomadas con luz

polarizada. La identificación por DRX (el equipo utilizado fue un Panalytical X'Pert Pro, equipado

con tubo de Cu de longitud de onda de 1.5406 angstrom) se realizó con la correlación de los tres picos principales en el diagrama de la muestra con los estándares internacionales que se encuentran en la

Figura 1. La Hidroxiapatita presenta tres picos característicos que son de nuestro interés, éstos se

producen en 2θ = 32, 32,5 y 33 correspondientes a los planos (211), (112) y (300) 2θ = 26, 46,5 y 49 correspondientes a los planos (002), (222) y (213) 2θ = 34 y 39,5 para los planos (202) y (310)

respectivamente.


Figura 1. DRX Estándar Internacional Hidroxiapatita

3. Procesamiento mecánico

3.1 Molienda y tamizado de Hidroxiapatita

Para realizar la molienda de la Hidroxiapatita Sintética, se utilizó un Mortero de Ágata manual.

Para el caso de la Hidroxiapatita obtenida de Vaca, empleamos un Molino de Barras, a velocidad constante de 163 rpm durante el lapso de una hora.

Los productos obtenidos, se tamizaron separadamente en un Set de Tamices de abertura en orden

decreciente de 177µm, 125µm, 88µm, y 44µm.

3.2 Sinterizado

Fabricación de la muestra en verde: Definimos una cantidad de muestra para la fabricación de las

pastillas de 0.5 gr, con el objetivo de obtener una compresión lo más homogénea posible. Utilizamos una Matriz de compresión prismática con un vástago de sección 8 mm.

Con el objetivo de controlar la porosidad de las muestras, incorporamos bicarbonato de amonio con

granulometría de +125 µm para generar los poros de interés. Por lo tanto, para las pastillas fabricadas con HA y el agente generador de poros, respetamos los mismos pesos finales, adicionando una

proporción al 20% y al 50% de bicarbonato. Es decir masas de hidroxiapatita de 0.4gr. y 0.25 gr

respectivamente.

En cuanto a los diámetros adecuados de poro para el crecimiento del tejido, en la literatura existe una diversidad de conceptos. Según lo reportado por algunos autores los poros deben tener mínimo 50

μm, mientras que otros reportan que deben estar entre 250-300 μm. Sinha y col. [15] realizaron una

clasificación de la reacción del tejido según el tamaño del poro del material implantado, así: Poros menores de 10 μm evitan el ingreso de células, poros entre 10 y 50 μm permiten la penetración de

tejido fibrovascular, poros entre 50 y 150 μm permiten la penetración ósea y poros mayores de 150

μm permiten la penetración y la formación ósea. Además, la penetración de tejido óseo sólo es posible si los poros se encuentran interconectados, pero si son ciegos esto no es posible.

A fin de encontrar una temperatura óptima de sinterizado, fuimos escalando los valores y los

tiempos de tratamiento, de 500°C, 750°, y 1050°C, y en cuanto a la duración desde una hora hasta

2,5 horas. Para examinar las estructuras formadas en las muestras, y verificar su sinterizado, se utilizó una

lupa “Konus” modelo “Diamond 5420”. Las fotografías fueron tomadas con una cámara digital

“MOTICAM 2300” de 3.0 mega pixeles, adaptada en la lente del microscopio y de la lupa.


4. Resultados y Discusión

4.1 Difracción de RX La gráfica de los parámetros obtenidos de la DRX en las tres muestras (de origen humano, animal y

sintético), se muestran a continuación, en la cual destacamos, la existencia en todas ellas, la presencia

de los tres picos esperables de la Hidroxiapatita en los ángulos precisos de la HA de alta pureza. En la Figura 2, se encuentran los picos de HA humana en los ángulos 2 θ = 26, 33, 40, 47 y 50.

Figura 2. HA Humana

En la Figura 3, observamos los picos de HA de vaca en los ángulos 2 θ = 26, 33, 40, 47 y 49.

Figura 3. HA de vaca


Por último, en la Figura 4, se hallan los picos de HA sintética en los ángulos 2 θ = 26, 33, 40, 47 y

49.

Figura 4. HA Sintética

Hemos indagado en la bibliografía [16] cuáles son las temperaturas óptimas para obtener los

mejores grados de cristalización de nuestra muestra sintética. En la Figura 5. se observan las

variaciones de las DRX a diferentes tratamientos térmicos. Las temperaturas en las que se producen los picos máximos son entre 950-1050°C.

Figura 5. Difracción de rayos X para las muestras de HA a diferentes tratamientos térmicos.


A continuación, en la Figura 6, se encuentra el diagrama de DRX realizado a la muestra de HA

sintética luego de su secado a 120°C, y previo al tratamiento de cristalinización a 950°C. Es evidente

que a la temperatura de secado la muestra aún se encuentra amorfa.

Figura 6. HA Sintética previo al tratamiento térmico de cristalinización

4.2 Sinterizado Observamos en la Figura 7, que sólo a temperaturas de 1050°C obtuvimos el sinterizado completo de

las pastillas, con una duración mínima de 2, 5 horas.

Figura 7. HA sintética a 1050°C

.

4.3 Porosidad Con respecto a nuestro análisis de porosidad, la cual denotamos por su importancia en lo referente a

osteoconducción y osteointegración, hemos obtenido tamaños de poros del orden de 50 a 200µm, los

cuales permitirían en principio, el crecimiento celular de los osteocitos y la vascularización del


material implantado, mejorando la fijación e integración al cuerpo humano. En la Figura 8,

observamos los tamaños de poro en un pastilla de HA sintética al 50% de dopado.

Figura 8. HA sintética al 50% de dopado

5. Conclusiones De cara a la dificultad que existe en la actualidad para la obtención de hidroxiapatita en el mercado

nacional, este trabajo intenta ofrecer una solución de abastecimiento local de buena calidad.

Hoy en día la HA se comercializa en Argentina solo a través de la importación de otros países, donde si tiene lugar su sintetizado. Es frecuente el uso de un “sustituto óseo” utilizado para relleno y

de origen humano proveniente de un banco de huesos, que se comercializa según normas de control de

calidad y de serología, en distintas presentaciones. Este último, si es producido en nuestro país, y nos

referimos en nuestro caso en particular al que comercializa el Laboratorio de Hemoderivados de la UNC.

No es un dato menor, la cuestión de los altos costos que poseen estos materiales, sean por la

procedencia extranjera, o bien por los procesos que se deben aplicar para garantizar la calidad y seguridad higiénica que requiere todo producto implantable en el cuerpo humano. Sin olvidar, que la

falta de oferta de proveedores de este producto, condiciona también su valor.

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