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E.T.S. DENGINYERIA INDUSTRIAL DE BARCELONA
Departament de Cincia dels Materials i Enginyeria Metallrgica de
la UPC
OBTENCIN YCARACTERIZACIN DE NUEVOSCEMENTOS SEOS DE FOSFATOS
DE CALCIO EN EL SISTEMA
CaHPO4-Ca3(PO4)2
Autor: Enrique Fernndez Aguado
Directores: Francisco Javier Gil Mur
Ferdinand C.M. Driessens
Noviembre 1996
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Captulo
1
CEMENTOS SEOS
D E
FOSFATOS
DE
CALC IO
RESUMEN
Los cementos de
fosfatos
de calcio (CFC ) han aca para do un elevado inters en la
ltima
dcada
ya que
permiten
disponer de unos materiales que son totalmente
biocompatibles,
permiten rellenar totalmente una cavidad sea (a voluntad) y
endurecen como un cemento
en el lugar de aplicacin.
Estas
propiedades son muy deseables en un a mplio aba nico de
aplicaciones quirrgicas.
Los
procesos
de fraguado y
endurecimiento
en
estos materiales
estn controladospor reacciones qumicas de disoluciny
precipitacin, a temperatura
ambiente ocorporal, qu e implican transformaciones defase de los
compuestos de fosfatos
de
calcio.
El objetivo de este captulo es aglutinar toda la informacin
termodinmica y cintica
disponible sobre los CFCparapoder discutir losefectos que
ciertas variables tienen sobre
las propiedades del cemento.
Para
ello se hace una discusin de la qumica de los
fosfatos
de calcio dirigida a entender cmo la termodinmica de estos
sistemas ha
influido
en la
elaboracin de las
distintas formulaciones
de CFC que han
sido
y son
objeto
de
estudio
en
nuestros das. Con este
enfoque
se realiza un a revisin bibliogrfica crtica de toda la
informacin que de una manera u otrapuedetener inters
para
nuestro e studio.
La
conclusin
que se
alcanza
es que son
necesarios estudios cinticos
de los
distintos
sistemas de
fosfatos
de calcio que se acerquen a la situacin
real
de fraguado y
endurecimiento del cemento que va a ser utilizado en
implantacin. Un
mejor
conocimiento
de la cintica del sistemajunto con una aproximacin
estadsticapara optimizar las
propiedades de l cemento es
posible
qu e
permita
obtener
nuevos
CFC con mejores
propiedades de fraguado y endurecimiento.
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1 .Cementos seos
defosfatos de
calcio
1.1.-INTRODUCCIN.
Unimplante quirrgicose hadefinido
(1)
,deformageneral, comounobjeto hechoapartirde
materiales no vivos que es introducido en el cuerpo humano con
la intencin de permanecer
en
su
interior durante
un
cierto periodo
de
tiempo
con el fin de
cumplir
una
funcin
especfica.
Desde el punto de vista de la funcin, los implantes se utilizan
para:
(a) Sustituir una parte daada, enferma o desgastada de la
anatoma, por
ejemplo,las sustitucionestotalesde articulaciones.
(b) Simular una parte ausente de la anatoma, tales como prtesis
faciales o
mamarias (el trmino prtesis se utiliza para describir todos
aquellos implantes
quecorresponden a estas dos categoras).
(c) Ayudaren elproceso decuracin de un
tejido,
incluyendo lasplacas para
fracturas seas, los injertos temporales para el tratamiento de
quemaduras y los
adhesivos quirrgicos.
(d) Corregir alguna deformidad ya sea congnita, traumtica o
patolgica, como
por
ejemplo
las
placas espinales.
(e)
Rectificar
el
modo
de
operacin
de un
determinado rgano, tales como
marcapasos
o cristalinos oculares.
Esta primera clasificacin
es
bastante general
y
puede concretarse, desde
el
punto
de
vista
de
si
undeterminado implante funciona correctamente,si setienen
encuentalas caractersticas
delmaterial
del
implante
y su
forma
de uso.
Bsicamente,
las
propiedades
de un
material
se
clasificanentres tipos:
(1) Propiedades mecnicas.
(2) Propiedades fsicas.
(3) Propiedades qumicas (o ambientales).
Las dos
primeras incluyen aquellas propiedades
que
controlan
las
caractersticas funcionales
activas de la mayora de los implantes. Por ejemplo, las
propiedades de resistencia mecnica a
roturay rigidezhacenque elacero inoxidable est indicado
paralafabricacindeplacasde
osteosntesis; la resistividad elctrica de una resina deepoxihace
que este material sea til en
la encapsulacin de marcapasos; latransparencia del
polimetilmetacrilato cumple con las
necesidades
de las
prtesis
enOftalmologa;la
vida
a
fatiga
del
polipropileno molecularmente
orientado indica que este material es apto en sustituciones
articulares, y as sucesivamente.
Las propiedades qumicas del material, manifestadas a travs de
las reacciones entre el
materialy elambienteque le rodeaen elcuerpo, controlan la
habilidad delimplante para
mantener
su
funcionalidad
a lo
largo
del
periodo
de
utilizacin
y
son, quizs,
ms
importantes
en muchos aspectos que las dosprimeras.La seleccin de un
material, basada sobrelas
propiedades
indicadas
por la
aplicacin
y por las
caractersticas
de ese
material, determina
la
idoneidad funcionaldelimplante.
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1.Cementos seosde
fosfatos
decalcio
En 1996 se celebr en Toronto (Canad) el quinto congreso mundial
de biomateriales (5th
WorldBiomaterialsCongress). Sobreuntotalde1000
comunicacionesypsters admitidosa
programa aproximadamente un 32% se dedicaban al aspecto del
material con el que estaba
hecho el biomaterial
(2)
.
La
Figura
1.1.
muestraen qutipodematerialesy en quporcentajessedistribuyeel 32%
de
los trabajos clasificados segn el factor
Material.
En general, es
difcil
separar los materiales
segn sean polmeros
y
compuestos, metales
y
aleaciones
o
bien cermicas
y
vidrios, debido
a
que
los materiales de hoy en da no suelen ser monolticos. A modo de
ejemplo, una prtesis
de
cadera
de T-6A1-4V (aleacin)
puede
llevar incorporado un recubrimiento de
polimetilmetacrilato (polmero) o bien polimetilmetacrilato con
una segunda fase de
hidroxiapatita (compuesto de polmero y cermica) o bien
simplemente un recubrimiento de
hidroxiapatita
(cermica), entre otros.
La clasificacin de la Figura
1.1.
se ha llevado a cabo considerando como tipo de material
aqul sobre
el que
especficamente
se
realizaba
el
estudio.
Es de
notar
el
elevado porcentaje
de
trabajos,
un
56%, realizados sobre materiales
de
tipo
polimrico
debido
a la
gran
versatilidad de este tipo de materiales. El 22% detrabajossobre
metales y aleaciones se ha de
leer desde el punto de vista de que la investigacin en metales
biocompatibles, as como el
desarrollo de aplicaciones, est en la actualidad muy
avanzada.
5th
WORLD BIOMATERIALS CONGRESS
Toronto,
Canad (1996)
Distribucin de los
materiales
22% Metales y aleaciones
22%Cermicasyvidrios
Figura 1.1.Distribucin
del tipo de
material utilizado segn datosextrados
de l
5th World
Biomaterials Congress.
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1 .Cementos
seos
de
fosfatos
decalcio
La Figura 1.2. detalla cmo se distribuye el 22% restante de
trabajos, agrupados segn el
captulo de cermicas y vidrios. Este es el grupo que nos interesa
y con el cual est
relacionado
el
contenido
de
esta Tesis Doctoral.
Ms en
concreto,
de
todo este captulo slo
nosinteresaelporcentajede
trabajos
dedicadosafosfatos decalcio, que es de un55%, frente
al
45% restante que aglutina los
trabajos
dedicados a biovidrios (un 25%) y a otras cermicas
bioactivasoinertes(un20%). Dentrodeeste 55%, como sedetallaen
laFigura
1.3.,
el 75%
de
los
trabajos
estaban relacionados con tcnicas de sinterizacin a alta
temperatura y el
fosfato
de calcio por excelencia era la hidroxiapatita;
slo
un 25% de los
trabajos
investigaban
la posibilidad de obtener fosfatos de calcio, ms o menos
solubles que la hidroxiapatita,
mediante tcnicas de disolucin y precipitacin a modo de un
material de tipo cemento.
5thWORLDBIOM ATERIALS
CONGRESS
Toronto,
Canad
(1996)
Cermicasy
vidrios
25%
Biovidrios
55 %Fosfatos
de
calcio
20%
Otras cermicas
Figura 1.2.
Porcentaje de
trabajossobreFosfatos
de
calcio dentro
del
grupo
de
Cermicas
y
vidrios segn datos
extrados
del
5th
W orldBiomaterials
Congress.
La bioactividad (capacidad de formar un enlace qumico con los
tejidos circundantes) de los
fosfatos
de calcio, y ms concretamente de las cermicas de hidroxiapatita,
despert un
enorme inters, en la dcada de los 70,, hacia este tipo de
materiales en aplicaciones
relacionadas con los tejidos duros. La Traumatologa, la Ciruga
plstica y la Odontologa
intentan
dar
solucin
a
problemas relacionados
con los
tejidos
seos.
Enfermedades como
la
osteoartritis,la
artrosis,
la osteoporosis, el
osteosarcoma,
la caries, las grandes prdidas de
masa sea causadas por va traumtica llevan asociados problemas de
sustitucin, de relleno,
de
fijacin, de osteointegracin y de biocompatibilidad
difciles
de resolver. Hoy en da se
dispone de informacin abundante sobre las propiedades
fisicoqumicas ybiolgicasde estos
materiales
(3>4)
.Algunas
de
estas propiedades
se
comentan
a
continuacin para ilustrar alguna
de las
ventajas
biolgicas intrnsecasde losfosfatos decalcio.
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1 .
Cementos seos
defosfatos de
calcio
Las cermicasde fosfatos decalcio, comopor ejemplo
lahidroxiapatita (HA) o el fosfato
triclcico
beta (P-TCP), pretenden dar solucin alrelleno de una cavidad y a
su
futura
colonizacin por nuevo tejido seo. Las cermicas de HA y de P-TCP
son biocompatibles y
osteoconductoras,
es
decir,
son
toleradas
por el
organismo
y, en el
caso
de que
sean porosas,
aportan una
estructura abierta
de
poros interconectados sobre
la que sefacilitala
aposicin
de
nuevo
tejido
seo
por los
osteoblastos. Desde
un
punto
de
vista cristalino,
la HA es ms
semejante
a la hidroxiapatita natural de los tejidos seos que el P-TCP y,
por lo tanto,
representa unmejormaterial estructural para el crecimiento seo.
Por contra, la velocidad de
reabsorcin de la HA es extremadamente lenta comparada con el
P-TCP y, por lo tanto, el
hueso
neoformado
a travs de la red porosa de la HA no puede experimentar la
carga
mecnica
que necesita para remodelarse (Ley deWolf)en tanto en cuanto la
HA permanezca
resistente. Otras cermicas
de fosfatos de
calcio poseen solubilidades mayores
que la
capacidad
regenerativadeltejidoseoy eneste sentido tampocosonaptas
pararellenar una
cavidad que
quiere
ser
colonizada
y
sustituida gradualmente
por
nuevo tejido seo. Otros
problemas asociados a
este
tipo de sustitutos seos residen en la imposibilidad de
obtenerlos
en laformay
tamao necesarios segn
la
aplicacin clnica
en el
momento
de la
intervencin
y,
por lo tanto, sedisponen en formasprefabricadas para ser
utilizados como granulos o
bloques,con el
consiguiente problema
de
desplazamiento dentro
ylejosde lacavidad
(3 )
.
Ante estas perspectivas surgi, en la dcada de los 80, la idea de
un nuevo sustitutivo
seo: los cementos de fosfatos de calcio. Un biomaterial que
incorporara en s mismo las
ventajas
de los fosfatos de
calcio
y adems pudiera utilizarse como un cemento. Las
ventajas son enormes ya que el cirujano dispone de las
propiedades de moldeabilidad,
inyectabilidady de adaptacin completa a la cavidad que le
proporciona el material, in
situ,
en el lugar de operacin. Asimismo, el tejido seo implantado se
ve beneficiado
inicialmente por las propias caractersticas de fraguado del
material que aporta, en un
tiempo clnicamente aceptable, laresistenciamecnica necesaria
paraque larecuperacin
funcional del tejido pueda iniciarse en un tiempo menor. A
mediano plazo las ventajas
pueden ser mayores, ya que los cementos de
fosfatos
decalcio
tienen
la propiedad de
activar las funciones osteoclsticas y
osteoblsticas propias
de un proceso de
regeneracin sea con la ventaja aadida de que estas funciones
actan sobre el mismo
material transformndolo con el tiempo en una estructura
organizada caractersticade un
hueso
neofo rmado .
La excelente biocompatibilidad de loscementosdefosfatosde
calcio
hace que sean potencialmente tiles en una gran variedad de
aplicaciones quirrgicas.
Es interesante comentar a este nivel que, aunque sobre el total
general de las comunicaciones
presentadas en el
5th World
Biomaterials
Congress
el
grupo catalogado corno
fosfatos de
calcio slo representa
un 4%, el
factor
de
acoplamiento
de los fosfatos de
calcio hacia
estudios
con
otros materiales debe
ser muy
elevado
(no se ha
determinado)
ya que
como
se
ha
comprobado
la
hidroxiapatita como
fase
mineral est presente
en
estudios sobre materiales
metlicos con recubrimientos y sobre materiales compuestos de
matriz polimrica o cermica
como segunda
fase
para mejorarsubioactividad.
Desde elpunto de vista de materiales de tipo cemento basados en
fosfatos de calcio, el
porcentaje
sobre
el
total
de las
comunicaciones
es
todava
ms
pequeo,
un 1%,
aunque
no
por
este
valor deja
de
tener
su
importancia,
ya que
como
ya se ha
comentado
la filosofa de
este tipo de materiales hace de ellos materiales idneos para
muchas aplicaciones quirrgicas.
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1.
Cementos seosdefosfatos decalcio
5th
WORLD
BIOMA TERIALSCONGRESS
Toronto,
Canad(1996)
Fosfatos
de
calcio
75 %Hidroxiapatita
25%Cementos
Figura
1.3.Distribucinde losfosfatos decalcio segn elproceso
defabricacin segn
datosobtenidosde l5thWorldBiomaterials
Congress.
El
objetivo
de
esta Tesis Doctoral consiste
en
desarrollar
y
caracterizar
fsica y
qumicamente nuevas formulaciones de cementos de fosfatos de
calcio
con mejores
propiedades
de
fraguado
y
endurecimiento, haciendo hincapi
en la
termodinmica
y la
cintica de los procesos que ocurren durante lasreaccionesde
fraguado.
Eneste puntoesconveniente repasar algunos
conceptosdedisolucinyprecipitacinya que
estos mecanismos
son los que
controlan
la
qumica
del
fraguado
de los
cementos
de fosfatos
de calcio. Estos conceptos permitirn entender
el
origen
de las
distintas formulaciones
de
fosfatos decalcioqueestn siendo investigadasen laactualidady
elesfuerzoque losdistintos
grupos
de
investigacin ponen
por
mejorar
las
propiedades
de
fraguado
de los
mismos.
Para un desarrollo de los conceptos de qumica aplicado a los
procesos de disolucin y
precipitacin de fosfatos de calcio existe bibliografa
especializada
(3>4)
.
Para undesarrollo
general exhaustivo
de los
conceptos
de
qumica bsica
que
regulan
los
procesos
de
disolucin
y
precipitacinensoluciones acuosassepueden consultar
diferenteslibros
(5>6)
.
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1 .Cementosseos
de
fosfatos
de
calcio
1.2.-CONCEPTOS BSICOSDEQUMICADE SOLUCIONES.
En
este apartado
se han
extrado
de la
bibliografa
(3
"
6)
solamente aquellos conceptos
de
qumica
de
soluciones que,
a
modo
de
herramientas
de
trabajo
o
plantillas,
son
utilizadas
de
una forma continua a la hora de apoyar o explicar los efectos
termodinmicos, o
indirectamente cinticos, que ocurren durante los procesos de
disolucin y precipitacin en
soluciones
de
fosfatos
de
calcio.
En sistemas fuertemente sobresaturados o alejados del
equilibrio, como por ejemplo los
cementos de fosfatos de calcio, la aplicacin de estos conceptos
de carcter general,
desarrollados a partir de consideraciones sobre soluciones
diluidas o ligeramente
sobresaturadas,
permiten obtener conclusiones termodinmicas importantes que
permiten
explicar aspectos termodinmicos y cinticos caractersticos de los
procesos defraguadoy de
endurecimiento en
un
material
de
tipo cemento.
1.2.1.-
PRINCIPIO DEL PRODUCTO DE SOLUBILIDAD PARA COMPUESTOS
MINERALES.
La precipitacin de un compuesto mineral a partir de una solucin
acuosa tiende a ocurrir
cuando la solucin acuosa est sobresaturada de este compuesto
mineral. Por el contrario, la
disolucin
de un
compuesto mineral
tiene
lugar cuando
la
solucin acuosa
que lo
rodea est
infrasaturada
de este compuesto mineral. Lasfuerzasmotrices que controlan las
reacciones de
disolucin y precipitacin serelacionan con los respectivos grados
de sobresaturacin e
infrasaturacin
definidos
respecto
del
productotermodinmico
de
solubilidad.
El
producto termodinmico de solubilidad describe
el
estado
de
equilibrio entre
un
compuesto mineral y la fase acuosa. La reaccin que gobierna este
equilibrio para un
compuesto simple AX se representa
como:
AX(s)oA
n+
(ac)
(1.1)
donde
los
smbolos
(s) y
(ac)
hacen referencia
a los
estados slido
y
acuoso respectivamente.
El cambio en la energa libre de Gibbs para la reaccin mostrada
en la Ec. (1.1)viene dado
por:
AG
RT
,ac A^AX.s
RT
(1.2)
donde
(i
representalaenerga libredeGibbs molarencondiciones estndar
(tambin llamado
potencial qumico estndar)
de las
especies inicas
en
solucin
y ( I A X , la
energa
libre de
Gibbsdel compuesto slido. R es la constante de los gases, T la
temperatura absoluta y I
elproducto de actividad inico del compuesto AX.
AX
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1 .
Cementos seos
de fosfatos de
calcio
Elproductodeactividad inicodelcompuestoAX
en
lasolucinsedefinecomo:
(1.3)
siendo(A
n+
)
y(X"~)la
actividad molar
d el
catin
y del
anin respectivamente.
En elequilibrioAG = O y la Ec.
(1.2)
sereducea:
RT
=-Ln
-AX
(1.4)
Debido
a que
( I A X >
es
constante para
un
slido puro
de
composicin
fija y
|Ji
0
son fijos por
definicina una
temperatura
ypresin
determinada,
la
cantidad
de la
izquierda
de la
igualdad
de
la Ec.
(1.4)
es una
constante.
Por lo
tanto,
la Ec.
(1.4) indica
que el
producto
de
actividad inico para
el
compuesto
AX en
unasolucin acuosa saturada tambin debeserconstante.Aeste valor
constantese lellama
producto
de solubilidad termodinmica, o
simplementeproducto
de solubilidad
^
del
compuesto AX.
Combinando
las
Ees.
(1.2)y
(1.4)
se
obtiene
la
siguiente expresin general:
AG
RT
jAX
P
T
C
n S
(1.5)
donde
S sedefinecomo elgrado
de
saturacin termodinmica.
Cuando
S = 1 la solucin acuosa est saturada respecto al compuesto AX.
Para S < 1 la
solucin acuosa est
infrasaturaday la AG < 0. Por
tanto,
lareaccinde la Ec.
(1.1)tender
a
desplazarse hacia
la
derecha
y el
slido
se
disolver. Para
S > 1 la
solucin acuosa estar
sobresaturada
y AG > 0. Por lo tanto, la reaccin de la Ec.
(1.1)
tender a desplazarse hacia la
izquierda
y habrprecipitacino crecimiento del compuesto AX.
Para
un
compuesto
con una
composicin general
AaBbCcXkYiZ
m
el
producto
de
actividad
inicavendr dado por:
(1.6)
y
se
aplican
los
mismos principios. Para
una
revisin
ms
detallada
y
completa
se
puede
revisarlabibliografa
seleccionada
(3
"
7)
.
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1 .
Cementos seosde
fosfatos
decalcio
1.2.2.- DIAGRAMAS
DE
SOLUBILIDAD
PARA UN
COMPUESTO MINERAL.
La solubilidad de un compuesto mineral de frmula qumica AX en
una solucin acuosa del
sistemaA(OH)
n
-H
ll
X-H2Osuele describirse adecuadamente en funcin de las
concentraciones
analticas
de losionesA
n+
y
X
11
".
Sin
embargo, cuando
se
trata
de una
base
A(OH)
n
y de un
cido
FL.X
dbil
es
necesario utilizar
el pH
como
una
tercera variable para
una
descripcin
completade lasolubilidady delcomportamiento
desolubilidaddelcompuestoAX.
Cualquier representacin grfica entre estas variables recibe
el
nombre
de
diagrama de
solubilidad.
Un
caso hipottico est representado
en la
Figura 1.4. para
un
compuesto
mineral
AX,
donde tLX
es un
cido poliprtico dbil.
En
esta
figura se
representa
el
logaritmo de la concentracin del ion
A,
log[A], en fondn del pH de la solucin.
-2
-3
D
O 4
7
10
ti
12
13
PH
Figura 1.4 Diagrama
de
solubilidadpara
un
compuesto hipottico
AX en el
sistema
A OH)
n
-H^-H
2
0,
dondeHnKes
un
cidodbil.
Cuando existe equilibrio entre una solucin y un exceso de soluto
se dice que la solucin est
saturada.
Por lo
tanto,
una
solucin saturada
es la que
est
en
equilibrio
con un
exceso
de
soluto, o la que estara si hubiese dicho exceso. Fuera del
equilibrio (Lnea de saturacin o
isoterma
de solubilidad) la solucin puede estar infrao sobresaturada. En
el primer caso el
slido tiende a disolverse (Zona de infrasaturaciri) y en el
segundo a precipitar hasta
conseguir
el
equilibrio(Zona
de
sobresaturacin).
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1 .Cementos seosde
fosfatos
decalcio
1.2.3.-POSICINRELATIVA
DE
VARIAS ISOTERMAS. PUNTOS SINGULARES.
Cuando sobre un mismo diagrama de solubilidad serepresentan
varias isotermas devarios
compuestos minerales quedan determinadassussolubilidades
relativas. Un compuesto cuya
isoterma
cae por debajode la deotroa un pH
dado
es
menos soluble (ms estable)
que el
otro.
El
punto
de
interseccin
de dos
isotermas
se
conoce
con el
nombre
de
punto
singular
y
define
un estado deequilibrio metaestable.En unasolucin saturada
conrespectoa los dos
compuestos ambos estarn
en
equilibrio
con la
solucin
en el
punto singular.Esto
significa
que
ninguno podr precipitar
de la
solucin.
Sin
embargo,
s
podr precipitar
otro
compuesto
cuya isoterma est po r debajo de l punto singular de los otros
dos. En la Figura 1.5. se
representa
la
posicin relativa
de las
isotermas
de dos
compuestos minerales hipotticos
en el
sistema
A(OH)
n
-HnX-H
2
O,
donde
H
n
Xes un
cido dbil.
2
O 4
-7
8
PH
D
12
13
Figura 1.5.Posicin relativa
de las
isotermas
de dos
compuestos hipotticos
en
elsistemaA(OH)
n
-HnX-H2O, dondeH nXes uncidodbil.
Los
puntos singulares predicen
el
comportamiento
de
varios compuestos
en una
solucin.
Por
ejemplo,
si doscompuestos seencuentranenexceso en unasolucinmsacida
(Pi)
que la del
punto singular
(Ps),
elcompuestomsbsico sedisuelveyprovoca que el mscido
precipite
yaque en
estelugar
la
solucin est sobresaturada respecto
del
compuesto
ms
cido.
Este
proceso contina hastaque el pH y lacomposicin
sondevueltosalpunto singular,endonde
ambos estn en equilibrio con la solucin y ninguno precipita. Por
otra parte, si la
composicin inicial de lamezcla se encuentra en una solucin ms
bsica
(P
2
)
que la del
punto singular, elcompuesto mscido sedisuelveyprovocaque el
msbsico precipiteya
que ahora
en
este lugar
la
solucin est sobresaturada respecto
del
compuesto
ms
bsico.
Sigue elmismo razonamiento anterior hastaque sealcanza
nuevamenteelpunto singular.A
esta propiedadde lospuntos singularesen los diagramasde
solubilidad se laconoce con el
nombre
deefecto deatraccinde lospuntossingulares
(8)
.
10
-
7/24/2019 02_ferndandezAguado_capitol1
12/59
1 .Cementos seosde
fosfatos
decalcio
1.3.-
QUMICA DESOLUCIONES
EN
ELCASODEFOSFATOSDECALCIO.
Teniendo en
cuenta
la
regla
de las
fases
de
Gibbs,
un
sistema ternario
con dos fases, una
solucin y una sal
slida,
en
equilibrio
a una
temperatura
y
presin determinadas tiene
un
nico grado
de
libertad.
La figura
geomtrica
que se
define
es una
linea
que
cuando
se
representa
en un
diagrama
defases se
llamaisoterma
de
solubilidad.
Una
lnea
de
este tipo
fija lascomposicionesdetodaslassoluciones saturadas respectode
esasal.
Laisotermadesolubilidadde una sal defosfato decalcio puede
calcularse teniendoencuenta
la
constante del producto de solubilidad,las constantesdedisociacin
delcido
fosfrico
(H
3
PO
4
)
y delhidrxidode calcio
(Ca(OH)
2
),
las constantes de estabilidad de los diferentes
complejos
formados,
y un
modelo apropiado para calcular
los
coeficientes
de
actividad
de las
distintas
especies qumicas involucradas
(4 )
.En
muchos casos
es
necesario utilizar complejos
sistemas
de
clculo
por
ordenador para tener
en
cuenta todas
las
posibles interacciones
y
poder
obtener resultados
y
conclusiones
(8
n)
.
En
este apartado
se van a
mostrar algunos
de los
diagramas
de
solubilidad calculados para
el
sistema ternario CapHh-HsPCvEkO y se van a ir desarrollando
algunas conclusiones
importantes, desde
el
punto
de
vista
termodinmico,
relacionadas
con la
obtencin
de
posibles mezclas de
fases
de fosfatos de calcio quepueden
hidrolizarse
y dar lugara una
reaccin
defraguadoque
derive hacia
un
material
de
tipo cemento.
1.3.1.-
CONSTANTE DEL
PRODUCTO
DE
SOLUBILIDAD PARA
LAS
SALES
DE
FOSFATOS
DE
CALCIO.
Las sales de ortofosfato se distinguen de los metafosfatos y
pirofosfatosen que tienen el
grupo P4
3
" frente a los
grupos
PO
3
" y V^Qf
respectivamente.
Po r
principio slo
nos
interesarn
las
sales
de
ortofosfato
ya que los
iones piro
y
metafosfato
se
hidrolizan
en los
fluidoscorporales y se sabeque altas concentraciones de estos
iones pueden dar lugar a
calcificaciones extraseas
(12)
.
Teniendo
en
cuenta
que el
inters
de los fosfatos de
calcio,
en
solucin
a
temperatura
ambiente
ocorporal,seencuentraen laposibilidaddeobtener materiales
biocompatiblesque
fraguan
como
un
cemento,
se
comprende fcilmente
el
inters
que
para esta aplicacin slo
tienen
las
sales
de
ortofosfato.
Por lo
tanto, para abreviar,
elprefijo
orto ser eliminado
en
adelante.
En
la
Tabla 1.1.
se
recogen
los
valores
del
producto
de
solubilidad
de los
principales
fosfatos
de
calcio
a 25 y 37 C. Los fosfatos de
calcio estn listados
en
orden creciente
de la
relacin
calcioafsforo molar,
Ca/P.Este
orden tambin coincidecon elaumentode labasicidadde
las sales
(7>13)
.
11
-
7/24/2019 02_ferndandezAguado_capitol1
13/59
1 .Cementosseos
defosfatos de
calcio
TABLA 1.1.
Constantes
del
producto
de
solubilidad para distintos compuestos
de
fosfatos
de
calcio
a 25 y 37 C
Ca/P Compuesto Frmula
-log (K
sp
) a
-log
(K
sp
)
a
25 C 37 C
0.5
Monocalciofosfatomonohidratado
Ca(H
2
PO4)
2
.H2O
muy
soluble
(MCPM)
0.5
1
1
1.33
1.5
1.5
1.67
2.0
Monocalcio fosfatoanhidro
(MCPA)
Dicalciofosfato
dihidratado
(DCPD)
Dicalcio
fosfato
(DCP)
Octocalcio
fosfato
(OCP)
Fosfato
triclcico
alfa
(a-TCP)
Fosfatotriclcicoheta
(P-TCP)
Ffidroxiapatita
(HA)
FosfatoTetraclcico
(TTCP)
Ca(H
2
PO
4
)
2
CaHP0
4
.2H
2
0
CaHP0
4
Ca
8
H
2
(P0
4
)6.5H
2
0
a-Ca
3
(P0
4
)
2
p-Ca
3
(P0
4
)
2
Ca
5
(P0
4
)
3
(OFf)
Ca4(PO
4
)
2
O
muy soluble
6.59
6.90
96.6
25.5
28.9
58.4
3 8 - 4 4
-
6.63
7.02
95.9
25.5
29.5
58.6
42.4
1.3.2.-DIAGRAMASDESOLUBILIDAD
DE
LOSFOSFATOSDECALCIO.
En la
Figura 1.6.
y
Figura 1.7.
se
representan
dos
versiones
de los
diagramas
de
solubilidad
que caracterizanelsistema ternario Ca(OH)
2
-H
3
PO
4
-H
2
Oa 37 C
(7)
. En la Figura 1.6.se
muestran
lasisotermasdesolubilidad calculadasa 37 Cpara distintas
soluciones saturadasen
equilibriocondistintas salesdefosfatos decalcio,en una
representacindellogaritmode la
concentracin de iones calcio, log [Ca], de la solucin saturada
en funcin del pH. La Figura
1.7.esanlogaymuestraellogaritmode laconcentracindeionesfsforo,
log
[P],
frenteal
pH para las mismas soluciones saturadas.
Las isotermas desolubilidadse hancalculado para siete sales
de
fosfatos
decalcio:
fosfato
tetraclcico (TTCP), fosfato diclcico dihidratado (DCPD),
fosfato
diclcico anhidro (DCP),
fosfato
octaclcico (OCP),
fosfato
triclcico
alfa
(a-TCP),
fosfato
triclcico beta (P-TCP)
y
hidroxiapatita
(HA). En los clculos se han tenido en cuenta los valores de las
constantes del
producto
desolubilidadde laTabla
1.1.
12
-
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14/59
1 , Cementos seosde
fosfatos
de calcio
-6
PH
Figura 1.6. Isotermas de solubilidad de soluciones en equilibrio
con distintas
sales
de
fosfatos
de
calcio
en el
sistema ternario Ca(OH)2-HfO4-2O
a 37 C
en una
representacin
d ellog
[Ca]frente
alpH.
o
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
-9
-10
-11
-12
7 8 10 11 12 13
PH
Figura 1.7 Isotermas
de
solubilidad
de las
soluciones anteriores
en una
representacin
del log
[P]
frente alpH.
13
-
7/24/2019 02_ferndandezAguado_capitol1
15/59
1 .Cementos seos
de
fosfatos
de
calcio
Una caracterstica comn de las isotermas de las figuras
anteriores es que
tienen
pendientes
negativas en las regiones neutras y acidas (pH< 7) de los
diagramas de
solubilidad.
Esto
quiere decir que estos compuestos son ms solubles a medida que
el pH decrece.
El
valor
de la
pendiente
de laisotermanos da
idea
del
aumento
de la
solubilidad
de la sal a
medida
que el pH decrece. Por este motivo la pendiente de la isoterma
se suele tomar como
una
medida
de la
basicidad
de la
sal,
ya que
para
un
mismo decremento
en el
valor
del pH la
solubilidad
de una sal
bsica ser mayor
que la de una sal
acida. Segn este criterio,
las
sales
de DCPDy DCP sonsales acidasfrentea lassalesdeOCP,
a-TCP,P-TCP,
HA yTTCPya
que
tienen pendientes negativas ms pequeas.
En lasregionesalcalinasde los diagramas desolubilidad la
concentracin
de calcio, [Ca],
aumenta al
incrementar
el pH
(ver Figura
1.6.)
pero,
con la
excepcin
delDCPDy el
DCP,
la
concentracin defsforo, [P],disminuye al aumentar
elpH
(verFigura1.7.). Las razones que
explican
el comportamiento de las isotermas en una
representacin log
[P]
frente
al pH
tambin se han
relacionado
con la
basicidad
del
compuesto
(7)
.
Las
Figuras 1.6.
y
1.7.
son
importantes
ya que
proporcionan informacin valiosa acerca
de las
estabilidadesrelativasde lasdistintas sales para diferentes
valoresdel pH. Engeneral, como
ya se ha
comentado, para
un
valor dado
de pH
aquella
sal
cuya isoterma est
por debajode la
isoterma
de
otra
sal
ser
ms
estable
y por lo
tanto menos soluble
que la
otra sal.
Apartirdeldiagramadesolubilidadde laFigura 1.6. puede verseque a
37 C la
B L A
es la sal
menos soluble de todas hasta que el pH cae por debajode 4.2
(pH4.2) donde entonces la
sal
menos soluble
es el
DCP.
De
forma
similar
se
puede observar
que
para
pH
menores
de
8.5
(pH
8.5)
la
salm ssolublees elDCPD.
Segnlatermodinmicadeestos sistemas sepiensaque las estabilidades
relativas entrelas
distintas sales sern la fuerza motriz de las posibles
reacciones
qumicas que ocurranen
materiales
de
tipo cemento basados
enfosfatosde
calcio.
Los
diagramas
que se han
mostrado en
las
Figuras 1.6.
y
1.7.
son
vlidos slo para
el
sistema
ternario Ca(OH)
2
-H3PO4-H
2
O
a 37 C.Esto
quiere decir
que las
composiciones
que se
describen en
estos
diagramas se han obtenido equilibrando una determinada sal en
una
solucin acuosa slo
de
cidofosfrico (H
3
PO
4
)
o de hidrxido de
calcio(Ca(OH)
2
)
y no en
una solucin que contenga otro tipo de compuestos diferentes a
los del sistema ternario que
seest considerando, tales como cido clorhdrico (HC1) o hidrxido
de sodio(NaOH)
(7)
,o
bien,
hidrxido de potasio
(KOF),
cido ntrico
(HNOs)
o dixido de carbono
(CO
2
)
(8 )
.
A
continuacin
se van a
detallar algunos efectos
que
sobre
los
diagramas
de
solubilidad,
y por
lo
tanto sobre
la
estabilidad relativa
de las
distintas sales
y su
reactividad, tienen algunos
factores tales como la relacin entre las concentraciones de
calcio a fsforo
([Ca]/[P]),
la
temperatura (T) o el efecto de la formacin de iones
carbonato
(COs ),
que pueden ser de
inters
a la
hora
de
obtener conclusiones acerca
del
comportamiento
de
fraguado
de un
material
de
tipo cemento basado
enfosfatosde
calcio.
14
-
7/24/2019 02_ferndandezAguado_capitol1
16/59
1. Cementos seosdefosfatos decalcio
1.3.2.1.-EFECTODE LA RELACIN
rCal/ITI.
Apartirde lasFiguras 1.6.y1.7.es
fcil
observarque larelacin entrelasconcentracionesde
calcio
y
fsforo
en la
solucin,
[Ca]/[P],
vara
a lo
largo
de la
isoterma
de
solubilidad
de
cada
compuesto.
Esto
es as debido a que el pH de la solucin en el sistema
ternario
Ca(OH)
2
-H
3
PO4-H
2
O
se va
ajustando
mediante
la
adicin
de
Ca(OH)
2
En la
Figura
1.8. se
muestra
la
variacin
delLog[Ca]/[P]
(eje
de
ordenadas
de la
derecha)
frente alpH(ejedeabcisas) paralasisotermas(en unarepresentacin
Log[Ca]vs. pH) de la
hidroxiapatita
(HA)
y del DCP
(8)
.A
partir
de
esta representacin
se
puede observar
que
para
pH < 8 la
relacin
[Ca]/[P]es la
misma para
la FIA y
para
el DCP y que no es muy
sensible
frente a las variaciones del pH.
Este
comportamiento se observa generalmente en este sistema
a
valores
bajosdel pH y
altas concentraciones
de
electrolitos
(14)
.
En el
intervalo
3 < pH < 6 se
observa que la relacin
[Ca]/[P]
es cercana a 0.5([Ca]/[P]0.5).
Algunos clculos realizados por ordenador
(8)
sugieren que
este
comportamiento es el
resultadodesatisfacerlacondicindeelectroneutralidadpor
lasolucin,en lacuallosiones
calcioy
fosfato
seencuentran preferentemente comoCa
2+
,
CaH2PO4
+
yH
2
PO4~.Paraunvalor
de
pH = 8 la
relacin
[Ca]/[P]
es
cercana
a 1
([Ca]/[P]
1)
tanto para
la
HAcomo para
el
DCP
siendo cada
vez ms
diferentes para
las dos fases a
valores
ms
altos
del pH.
Mientras
que
para el DCP la relacin
[Ca]/[P]
de la solucin aumenta ligeramente por encima de 1 en
contacto con esta
fase,
para la HA los valores que se alcanzan son considerablemente
ms
elevados
([Ca]/[P]* 220
para
pH = 9.5 y
[Ca]/[P]13500 para
pH =
10).
Nuevamente, estos resultados
son una
consecuencia
de las
enormes cantidades
de
Ca(OH)
2
que se
necesitan para
ajustar el pH y de los
valores
tan bajos de la
concentracin
de fsforo
[P] encontrados en la solucin, debido a la baja disolucin de la
HA en las mismas
condiciones. Segn esta figura, la HA y el DCP slo coexistirn en
equilibrio en este sistema
a un pH = 4.5 donde la solucin tendr una relacin[Ca]/[P]0.5.
Las
diferencias encontradas entre
larelacin
calcio
afsforode la
solucin
([Ca]/[P])y las
correspondientes relaciones atmicas de la HA(Ca/P= 1.67) y del
DCP (Ca/P = 1) pueden
entenderse
al
considerar
la
precipitacin
de una
fase
de HA en una
suspensin acuosa
metaestable saturada respectodelDCP.Esteestadosecorrespondeen
laFigura 1.8.con un
valor
de pH - 8.2 y un
valor
de la
relacin
[Ca]/[P]
=
1
.
Este
proceso
de
precipitacin puede
quedarreflejado
mediante
la
siguiente reaccin qumica:
5 C a H P O
4
H
hH
2
O-
^Ca
5
(P0
4
)
3
OHH
- 2H P O
4
2
'Hh 4 H T (1.7)
Segn esta reaccin,
los
protones liberados durante
la
precipitacin
de la fase de HA
disminuiranel pH de la suspensiny almismo tiempoelexceso deiones
hidrogenofosfato
disueltos disminuira
la
relacin
[Ca]/[P]
de la
solucin
por
debajo
de
1.
Esta evolucin espontnea de un estado metaestable de la solucin
hacia la interseccin de
do s isotermas de solubilidad se llama efecto
de
atraccin
de los
puntossingulares
(4>7>8>14)
;
como ya se ha comentado.
15
-
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17/59
1 .Cementos seosde
fosfatos
decalcio
10
P H
Figura 1.8.
Evolucin
de la
relacin
[Ca]/[P] de la
solucin
a lo
largo
de las
isotermas de
solubilidad
de la HA y del DCP en el
sistema temario
Ca(OH)
2
-HsP04-H2O
a 25
C.
ElpuntoP
representa
un
estado
de
equilibrio
metaestable
del
DCP en
agua
(pH=8.2;[Ca]/[P]=l).
Para analizar cmo
influye la
relacin [Ca]/[P]
de la
solucin sobre
las
isotermas
de
solubilidad hay que analizar el comportamiento de las isotermas
en sistemas ms complejos
que elsistema ternario
Ca(OH)
2
-H
3
P0
4
-H
2
O
tales como Ca(OH)
2
-H
3
PO
4
-MX-H
2
O,donde
MX
es un electrolito que se aade al sistema para hacerlo
electroneutro y cuyos ionesM
1
"y
X" no
afectan
a la
fase slida. Asimismo,
es
conveniente
que los
iones M
1
"
y X"no
formen
complejoscon las
diferentes especies
de
iones calcio
y fosfato
(4 )
.
La Figura 1.9.muestra el efecto de la relacin
[Ca]/[P]
de la solucin, en una representacin
de l
Log[Ca] vs. pH, sobre las isotermas de solubilidad de la HA y
del DCP (a una presin
parcial
deCO
2
de
p(CO
2
)
=
10"
30
atm)
y de la
calcita
(CaCO
3
;
a una
presin parcial
de
p(CO
2
)
=10'
3
'
52
atm)
en el
sistema
Ca(OH)
2
-H
3
PO
4
-KOH-HNO
3
-CO
2
-H
2
Oa 25 C
(8 )
.
16
-
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1 .
Cementos seosdefosfatos decalcio
[Ca]/[P]
= 1 0
[Ca]/[P]= 1
[Ca]/[P]
= 0.1
-5
-6
PH
3 0
Figura
1.9.
Isotermasde solubilidad de la H A y el DCP
(p(COJ=lff
atm) y
el
CaC0
3
(p(COz>=10 atm)
a
diferentes relaciones[Ca]/[P],
en el
sistema
C a( OH)
2
-H
3
P0
4
- K O H - H N 0
3
-CO
2
-H
2
O
T=25
C).
A
partir
de
esta
grfica se
puede observar
que al
aumentar
la
relacin [Ca]/[P]
de la
solucin
aumentala
concentracin
de
iones
calcio [Ca]en
solucin
de losdistintos fosfatosdecalcioa
unvalorde pHconstante.Elefecto inverso sobrelaconcentracin
de
fsforo [P]
tambines
cierto, como se hapodido comprobar mediante clculos po r
ordenador
(8)
ycomo quedara
reflejado
enunarepresentacin de lLog[P]vs. pH.
Elaumentoen laconcentracin decalcio [Ca] est relacionadocon
unmecanismodebalance
de
las
cargas negativas
aportadas por los
iones
NOs"
para satisfacer
la
electroneutralidad
de la
solucin.
Por lo
tanto,
un
incremento
en la
concentracin
de
calcio [Ca] est relacionado
con
unadisminucinde laconcentracin de
fsforo
[P] en lasolucin, necesaria para satisfacerla
constante del producto de solubilidad K
sp
de la sal considerada
(7)
.
Anlogamente un
incremento en la solucin de la concentracin de
fsforo
[P] est relacionado con un
mecanismode
balance
de
cargas entre
los
iones
ByPCVy
K
+
.
Por lo
tanto,
en
este caso,
el
incremento de [P]lleva asociado un a disminucin de [Ca] para
satisfacer la constante de l
productodesolubilidadde la salconsiderada.
Los razonamientos anteriores indican en un diagrama de
solubilidad Log[Ca]-pH que la
cantidad
que se
necesita para saturar
la
unidad
de
volumen
de una
solucin
con un
determinado
fosfato
decalcio estantomspequea cuanto menor es ladiferencia entre
la
relacin
[Ca]/[P]
de la solucin y la relacin atmica Ca/P del
fosfato
utilizado. A esta
propiedad
se laconoce con elnombre de efecto del ion comn sobre la
solubilidadde las
sales
(8 )
.
17
-
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19/59
1.
Cementos seos
de
fosfatos
decalcio
Este efecto
es de
suma importancia
en la
fabricacin
y
obtencin
de
materiales basados
en
fosfatos
de
calcio
que fraguan y
endurecen segn
un a
reaccin
de
tipo cemento
ya que
ciertos
aditivos
en lafase
lquida pueden actuar como aceleradores
o
retardadores
de la
reaccin
d e
fraguado
segn
e l
efecto
del ion
comn.
Sobre
la
Figura
1.9.
cabe destacar
la
tendencia
que los
puntos singulares tienen
de
desplazarse
hacia valores
de pH ms bajos a
medida
qu e
aumenta
la
relacin
[Ca]/[P] de la
solucin.
Asimismo, la
solubilidad
del
CaCOs parece aumentar
a
medida
que
disminuye
la
relacin
[Ca]/[P]
de la
solucin como resultado
de una
mayor
fraccin de iones
calcio disueltos
formandoiones complejos
de
calcio-fosfato
(4>7>8)
.
1.3.2.2.-
EFECTO
DELA
TEMPERATURA.
La
Figura
1.10.
(8 )
muestra
el
efecto
que
tiene
un
aumento
en la
temperatura sobre
las
isotermas de
solubilidad
de la FA, el DCP y el CaCOs en el
sistema
Ca(OH)
2
-H
3
PO4-KOH-HNO
3
-CO
2
-H
2
O para una relacin[Ca]/[P]= 1 y una presin parcial
deC O
2
de
p(CO
2
)
= 10"
30
atm
paralaFIA
yelDCP y de
p(CO
2
)
= 10~
3
'
52
a tm
para
elCaCO
3
.
T = 2 5 C
T =
60C
T =90C
PH
Figura
1.10.
Influencia
de latemperaturasobrelasisotermasde
solubilidad
de
la H A y el DCP
(p(COj) = I f f
3 0
atm)
y el
CaC0
3
(p(CO = 1 0'
3
'
52
atm)
en el
sistema
Ca(OH )
2
~H
P0
4
- K O H - H N O
3
-C0
2
-H
2
0
([Ca]/[P] = 1) .
18
-
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20/59
1.
Cementos seos defosfatos de calcio
Las variaciones de temperatura afectan marcadamente a las
solubilidades del DCP y de la HA
pero prcticamente su influencia es nula para la solubilidad del
CaCOs. La solubilidad de la
HA
decrece,
a un
valor
de pH = 7, en un
factor
de 2.6
para
un
incremento
de
tem peratura
desde 25 a 60 C oenun factor de 5.9 para un incremento desde 25
a 90
C,
m ientras que la
solubilidad
del DCP
disminuye
en un
factor
de 1.7 o de 2.5
respectivamente
en las
mismas
condiciones. El efecto es mucho ms importan te a valores de
pH
bajos.
Por lo tanto, el punto
singular entre la HA y el DCP se desplaza hacia valores de pH m
s bajosdebido a la mayor
sensibilidad de la HA frente a loscam biosde temperatura,
comparadacon elDCP.
Desde
el
punto
de
vista
de la
aplicacin clnica
de los
cementos
de
fosfatos
de
calcio
la
temperatura que nos interesa es la temperatura corporal ( 37 C).
Sin embargo, como la
influencia
de la temperatura sobre las curvas de solubilidad, y por lo
tanto sobre la posicin d e
los puntos singulares, en el intervalo 25 < T < 37 C es
pequea, a la hora de prever el
comportamiento
termodinmico
de una determinada mezcla de
fosfatos
de calcio en un
cemento, pueden utilizarselascurvasdesolubilidada 25 Ccuandono
sedisponena 37 C.
1.3.2.3.-
EFECTO
DELAFORMACIN DE IONES CARBONATO.
La
Figura
1.11.
(8 )
muestra
un
ejemplo
de la
considerableinfluencia
que
sobre
la
solubilidad
de
los fosfatos de calcio
tiene
la formacin de iones CO
3
2
".En esta figura se discute lainfluencia
de la presin parcial de CO2,
p(C02),
sobre las isotermas de solubilidad de laHA,del DCPD
y del CaCOs en el sistema Ca(OH)
2
-H
3
P04-C02-H
2
O, que es de particular inters en el
estudio de cementos defosfatosde calcio que contienen CaCOs.En
estoscementos se puede
obtener una mayor
p(C2)
comparada con la que
existe
en
condiciones
atmosfricas
normales, mediante
la
disolucin
deCaCOsen un
volumen determinado.
En estafigura sepuede observarque lassolubilidadesde la HA y
delDCPDenequilibriocon
lasolucin aumentan
de
form a considerable
por
encima
de un
valor
del pH que es
tanto
ms
pequeo cuanto mayor
es la
p(CO
2
).
Los
puntos m nimos
de las
curvas resultantes (crculos
negros) se corresponden con el valor del pH del agua pura
saturada con las respectivas
fases
(HA y
DCPD)
a las
referidas presiones parciales.
El
incremento
de la
solubilidad est
relacionadocon laformacindeiones complejos
calcio-carbonato,
queresulta en un aumento
importantede larelacin
[Ca]/[P]
de lasolucin
(4
'
8)
.
As
pues,
el
efecto principal
del
CO
2
consiste
en
aumentar
la
solubilidad
de los fosfatos de
calcio a valores altos del pH hasta un punto (sealados en la
Figura 1.11. mediante lneas
verticales punteadas) en el que el
CaCOs
se convierte en la fase menos soluble, reduciendo
por lo tanto el intervalo del pH o dominio de estabilidad de los
fosfatos de calcio. Una vez
alcanzado estepunto, cualquier adicin
de
Ca(OH)2
no
podr aumentar
el pH de la
solucin
ya
que la
tendencia
ser a reaccionar con el C 2 formando ms
CaCOs,
Por otra parte la
adicindecido
fosfrico
a una suspensindeCaCOsactuar en la direccin deaumentarla
solubilidad como consecuencia no slo de la disminucin del pH
resultante sino por la
tendencia adicional
a
formar iones complejoscalcio-fosfato. Otro
de los
efectos
de
aumentar
la
presin parcial de CO
2
consiste
en la disminucin de las diferencias entre las solubilidades
de los distintos fosfatos de calcio. Para ambos efectos sehabla
de reduccindel campode
estabilidad de lasapatitas
(3>4)
.
19
-
7/24/2019 02_ferndandezAguado_capitol1
21/59
1 . Cementosseosdefosfatos de calcio
PH
Figura 1.11. Influencia de lapresin parcial de
C0
2
sobre la s isotermasde
solubilidad de
la
H A ,elDCPD y el CaCO
3
en el
sistema
Ca OE)
2
-EfO
4
-CO
T
H
2
O
a 25 C. Las
condiciones
de
equilibrio
enaguapurase
muestran
mediante
lneas
verticales
punteadas
para
elCaCO3y con un()para
la
HA y elDCPD.
Por lo
tanto,
a la
hora
de
disear
un
material
de
tipo cemento basado
en
fosfatos
de
calcio
es
crtico, para poder prever
el
comportamiento
termodinmico fituro de la
mezcla, tener
en
cuentael valor de la presin parcial de CO
2
de la solucin que va a estar en contacto con las
distintas
fases
minerales.
Estoes as ya que el
comportamiento termodinmico
que se
deriva
en un
proceso
de
disolucin-precipitacin
defosfatos de
calcio
en una
solucin acuosa libre
de
CO
2
(p(CO
2
)
= 10"
30
atm) queda totalmente afectado cuando elanlisisdelproceso se
realiza en una
solucin cuya presin parcial
de CO
2
es
similar
a la que se
encuentra
en los
fluidos corporales (0.0165
-
7/24/2019 02_ferndandezAguado_capitol1
22/59
1 .
Cementos seosde
fosfatos
decalcio
En la Tabla 1.2. tambin se representan estos valores. Como puede
verse, las diferencias en
los valores son pequeas excepto para el TTCP. Sin embargo, esta
diferencia se
explica
si se
tiene en cuenta la gran variabilidad de valores encontrados para
la constante de solubilidad de
este compuesto, debido a lagran reactividad delTTCP con agua,
como ya se reflej en la
Tabla 1.1.
TABLA 1.2.
Pares de
fosfatos
de calcio del sistema
Ca OH)
2
-H3PO
4
-H
2
O
a 37 C cuyas isotermas de
solubilidaddeterminanunpunto singular^
1
Paresde
fosfatos
TTCP-MCPM
TTCP-DCPD
TTCP-DCP
TTCP-a-TCP
TTCP-OCP
TTCP-P-TCP
a-TCP-MCPM
a-TCP-DCPD
a-TCP-DCP
P-TCP-MCPM
P-TCP-DCPD
p-TCP-DCP
OCP-p-TCP
OCP-DCPD
OCP-DCP
HA-MCPM
HA-DCPD
HA-DCP
MCPM-DCP
MCPM-DCPD
Descripcin
qumica
Ca4(P0
4
)
2
0-Ca(H
2
P0
4
)
2
.H
2
0
Ca4(PO
4
)
2
O
-
CaHPO
4
.2H
2
O
Ca4(PO
4
)
2
O
-
CaHPO
4
Ca4(P0
4
)
2
0
- a-Ca
3
(P0
4
)
2
Ca4(P0
4
)
2
0- Ca
8
(HP0
4
)
2
(P0
4
)
4
.5H
2
O
Ca4(P0
4
)
2
0-p-Ca
3
(P0
4
)
2
a-Ca
3
(P0
4
)
2
-
Ca(H
2
P0
4
)
2
.H
2
O
a-Ca
3
(PO
4
)
2
-
CaHPO
4
.2H
2
0
a-Ca
3
(P0
4
)
2
-
CaHPO
4
p-Ca
3
(PO
4
)
2
- Ca(H
2
PO
4
)
2
.H
2
O
p-Ca
3
(PO
4
)
2
-
CaHP0
4
.2H
2
0
p-Ca
3
(P0
4
)
2
-CaHP0
4
Ca
8
(HPO
4
)
2
(PO
4
)
4
.5H
2
O- p-Ca
3
(P0
4
)
2
Ca
8
(HPO
4
)
2
(PO
4
)
4
.5H
2
0 -CaHP0
4
.2H
2
O
Ca9(HP0
4
)(P0
4
)
5
OH -CaHPO
4
Caio(P0
4
)
6
(OH)
2
- Ca(H
2
P0
4
)
2
.H
2
0
Caio(PO
4
)
6
(OH)
2
-CaHP0
4
.2H
2
0
Ca
10
(PO
4
)
5
(OH)
2
-
CaHPO
4
Ca(H
2
PO
4
)
2
.H
2
0 -CaHPO
4
Ca(H
2
PO
4
)
2
.H
2
O
-
CaHPO
4
.2H
2
O
PH
(p=l(r
30
atm)
6.5
8.5
8.8
9.5
10.0
11.3
5.5
7.8
8.2
4 .4
5.4
6.0
4 .7
6.2
6.9
3.5
3.8
4 .3
2.7
3.2
pH
(p=0.0164
atm)
5.3
6.5
6.8
*
*
*
5.5
*
*
4 .4
5.7
6.0
4 .7
6.2
*
3.3
3.1
4 .3
2.7
3.5
* No se
encuentra
en la
literatura revisada
El
estudioin vitro
de la
termodinmica
de
estos sistemas
en
condiciones
lo ms
cercanas
a las
fisiolgicas (T
=
37 C y
p(C2)
= 0.0164 atm) puede aportar algn conocimiento sobre el
comportamientoin vivo
de un
determinado sistema
de
fosfatos
de
calcio,
al
menos durante
los
estadios iniciales
de las
reacciones
defraguado. Sin
embargo,
el
comportamiento
invivoa
largo plazo, durante los procesos de endurecimiento y/o
reabsorcin, de un cemento en
contacto con los fluidos corporales a duras penas puede
predecirse
(16)
.
21
-
7/24/2019 02_ferndandezAguado_capitol1
23/59
1 . Cementos seos
de
fosfatos
de
calcio
Sin
embargo, algunos estudios indican que la tasa de bioreabsorcin
para diferentes sistemas
est relacionada con la solubilidad relativa de losfosfatos de
calcio que lo componen
(17
"
20)
.
Por lo tanto, desde el punto de vista de la elaboracin de
posibles formulaciones cementantes
de
fosfatos
de
calcio
la
Tabla
1.2.
aporta
un
enorme abanico
de
posibilidades. Fruto
de
ello
ha
sido
la
cantidad creciente
de
patentes
(21
"
31)
que se han ido
generando
en la
ltima dcada,
movidas en parte por el inters que para ciertas aplicaciones
clnicastienen este tipo de
materiales.
En los apartados siguientes se presenta una revisin de los datos
de la literatura
clasificados,
enprimer lugar,por eltipodeproductoo
fosfato
decalcio formado durantelasreaccionesde
fraguado
y,
dentro
de
cada categora
de
producto,
por el
tipo
de
sales
de
fosfatos
de
calcio
presentes
en la
mezcla. Teniendo
en
cuenta
que la
informacin contenida
en las
patentes tiene
carcter general
y no es
definitiva, slo
se ha
tomado
en
consideracin
la
informacin
encontradaenlaliteratura
cientfica.
22
-
7/24/2019 02_ferndandezAguado_capitol1
24/59
1 . Cementos seosdefosfatos de calcio
1.4.-
FORMACIN DE PRECIPITADOS DURANTE LAS REACCIONES DE
FRAGUADODELOSCEMENTOSDEFOSFATOSDECALCIO.
Antesdeempezara
clasificar
las
diferentes
combinaciones estudiadasdeparesdefosfatos de
calcio, segn
el
tipo
de
fase
cristalina
que se
forma
durante
e l
fraguado,
es
conveniente hacer
unaseriedeaclaraciones respectode laestabilidadde losfosfatos
decalcioensolucin.
1.4.1.-
ESTABILIDADDELOS FOSFATOS DE CALCIO EN SOLUCIN.
El comportamiento estable o inestable de un fosfato de calcio en
una solucin est
directamenterelacionadocon
losmecanismosdeformacindelmismo.Hay
fosfatos
decalcio
qu epueden obtenerse
por
precipitacin
a
partir
de una
solucin sobresaturada
d e
fosfatos
de
calcio a una
cierta temperatura.
Sin
embargo, otros fosfatos slo pueden obtenerse
por
reaccin enestado slido aalta temperatura.Por lo tanto, elgrado
de estabilidadde los
fosfatos de
calcio
en una
solucin acuosa
no
slo depender
de la
posicinrelativa
de sus
isotermas
de
solubilidad sino tambin
de la
estabilidad trmica
de los
mismos.
1.4.1.1.-FOSFATOS DE CALCIO OBTENIDOS POR PRECIPITACIN.
En el sistemaCapH^-HsPO^HaOslo se pueden obtener por
precipitacin un nmero
limitado de
fosfatos
de calcio en forma de slidos cristalinos discretos con
estequiometra, propiedadesfsicas ytermodinmicas bien
definidas
(4 )
.
Normalmente, se
centra la
atencin sobre
el
MCPM,
el
DCPD,
el OCP y la
hidroxiapatita precipitada
(PHA)ya que susconstantes desolubilidad estn bien establecidas
(ver Tabla 1.1.).
Conviene mencionar que el DCP raramente se obtiene por
precipitacin a partir de
soluciones acuosas
( 4 )
.Suele obtenerseporcalentamiento delDCPD atemperaturas entre
120 y 170 C.
Asimismo,
los
procesos
de
hidratacin
del DCP
suelen
ser
efectivos
a
temperaturas mayores
de 50 C
(32>33)
.
Por lo
tanto,
las
conclusiones
que se
puedan
derivar del anlisis de los puntos singulares de algn
fosfato
de calcio con el DCP a
temperatura ambiente
o
corporal deben
ser muy
cuidadosas.
Aunque menos conocidosque los
fosfatos
mencionados, existen otros fosfatos decalcio
obtenidospor precipitacin que tienen un papel importante en el
comportamiento de la
solucin del sistema
Ca(OH)2-H
3
PO4-H
2
O.
Estudios de precipitacin a partir de soluciones de fosfatos de
calcio sobresaturadas,
ligeramente acidas o neutras, conducen a la formacin de un
primer precipitado slido
cristalino de estequiometra Ca9(HPO4)(PO4)s(OH). Este compuesto
tambin tiene
propiedades fsicas y
termodinmicas distintas
y se
conoce
con el
nombre
de
hidroxiapatita deficiente en calcio
(CDHA).
La constante de solubilidad de este
compuesto no se conoce con exactitud aunque algunas estimaciones
dan como valor Log
KS
P
=
-85.1
(4 )
.Por lotanto, tampocoseconocelaposicinde laisotermade
solubilidad
y
no pueden obtenerse conclusiones seguras sobre el comportamiento
termodinmico de
losotros fosfatos decalcio
frente
a laCDHA.
23
-
7/24/2019 02_ferndandezAguado_capitol1
25/59
1.C ementos seos
defosfatos de
calcio
Tambin se ha observado que pueden transcurrir varios das hasta
que se
forme
este
primer
precipitado cristalino a partir del precipitado original que es
amorfo a la
difraccin
de
Rayos-X. Esteprecipitado amorfo
se
conoce
con el
nombre
de
fosfato
de
calcio amorfo (ACP)
(4
'
34)
.
La
Tabla 1.3. resume
los
slidos cristalinos
que se
obtienen
por
precipitacin
a
temperatura ambiente o corporal
(3)
ascomo los intervalos de pH deestabilidad
(35>36)
.
Estos son los productos de reaccin de
fraguado
que nos interesan ya que no hay que
olvidar que loscementosdefosfatos decalciovan a serutilizados
como materiales de
implantacin principalmente
a la
temperatura corporal
(T = 37
C).
TABLA 1.3.
Compuestos
cristalinos encontradosatemperatura ambienteocorporaly
rango de
estabilidad
de pH en el
sistema Ca OH)
2
-H
3
PO4-H
2
O
Ca/P
0.5
1
1.33
1.5
1.67
Frmula
Ca(H
2
P0
4
)
2
.H
2
0
CaHPO
4
.2H
2
0
Ca
8
(HP0
4
)
2
(P0
4
)4.5H
2
0
Ca9(HP0
4
)(P0
4
)
5
OH
Ca
10
(P0
4
)
6
(OH)
2
Compuesto
MCPM
DCPD
OCP
CDHA
PHA
pH
0.0-2.0
2.0-6.0
5.5-7.0
6.5-8.5
9.5
-12
1.4.1.2.-
FOSFATOS DE CALCIO OBTENIDOSPOR SINTERIZACION.
Al
igualque losfosfatos decalciode laTabla 1.3.slo pueden
obtenerseporprecipitacinde
soluciones acuosas, existen otra serie
de
fosfatos
de
calcio
que
slo pueden obtenerse
por
tcnicasde
sinterizacin
aalta temperatura(T
>
1000 C).
En la
Tabla1.4.
se da una
lista
de los
ortofosfatos
que
pueden
ser
preparados
por
reaccin
en
estado slido
a
alta temperatura
(3
'
37>
.
Son
fosfatos
que
pertenecen
al
sistema ternario
CaO-P
2
O5-H
2
O y de los
cuales
se
conoce
su
isoterma
de
solubilidad
(7)
,
de ah el
inters
por
utilizarlos
solos o en combinacin con otros fosfatos de calcio que permitan
obtener
materialescementantes (ver Figura 1.6.).
TABLA 1.4.
Fosfatos
de
calcio
que
pueden
ser
preparados
por
reaccin
en
estado slido
a
alta
temperatura
y queslo contienen elementos biocompatibles
Ca/P
1.5
1.5
1.67
2.0
Compuesto
a-Tricalcio fosfato
p-Tricalcio fosfato
Hidroxiapatita sintetizada
Tetracalcio
fosfato
Frmula
a-Ca
3
(PO
4
)
2
p-Ca
3
(P0
4
)
2
Ca
10
(P0
4
)
6
(OH)
2
Ca
4
(PO
4
)
2
O
Abreviatura
a-TCP
P-TCP
SHA
TTCP
24
-
7/24/2019 02_ferndandezAguado_capitol1
26/59
1 . Cementos seosde
fosfatos
de calcio
Los detallesconcretosde fabricacin de estasfasesas como los
intervalos de temperatura de
estabilidad hansido ampliamente desarrolladosen laliteratura
(3
'
4
>
37
38)
yn
O
es elobjeto deesta
disertacin detallarlos aqu.
1.4.1.3.- POSICINRELATIVADEDOS ISOTERMAS.
Al
comentarlaFigura 1.5. (ver pg.10)decamos:
...
si doscompuestosque tienen un
punto
singular
(P)
seencuentranenexceso
en una
solucin
ms
acida (P)
que la del
puntosingular,
el
compuesto
ms
bsicose disuelve y provoca que el ms cido precipite ya que en
estelugar la
solucin
est sobresaturada respectodelcompuestoms
cido...
...
si la
composicin inicial
de la
mezcla
se
encuentra
en una
solucin
ms
bsica P j ) que la delpunto singular, elcompuestoms cido se
disuelvey
provoca
que el ms
bsico precipite
ya que
ahora
en
estelugar
la
solucin est
sobresaturadarespectodelcompuestomsbsico...
Ahora estamos en condiciones de ver que este tipo de
conclusiones generales puede llevar a
equvoco
(13
'
39)
cuando, sobre un mismo diagrama de solubilidad, se representan
las isotermas
de compuestos minerales obtenidosporprecipitacin, juntocon
lasisotermasdecompuestos
obtenidos por
reaccin
en estado slido a alta temperatura, como es el caso de los
diagramas
de
losfosfatos decalcio (ver Figura 1.6.).
De
hecho, desde
el
punto
de
vista
de la
estabilidad termodinmica
de los
distintosfosfatos
de
calcio, las nicas fasescristalinas que se pueden formar a
temperatura ambiente o corporal
como producto de las reacciones de
fraguado
de los sistemas reflejadosen la Tabla 1.2. son
PHA,
CDHA,
OCP y DCPD. En ningn caso se podr formar como producto
intermedio de
ninguna reaccin
de
fraguado TTCP, oc-TCP, P-TCP
o
incluso DCP,
ya que el DCP se
obtiene por precipitacin a temperaturas mayores.
1.4.2.-
SISTEMAS
QUE
FORMANPHA
o
CDHA.
Las reacciones de
fraguado
que conducen a la formacin de PHA o CDHA se pueden
clasificar
en tres grupos atendiendo al nmero y tipo de fosfatos de calcio
que entran en la
mezcla.
En
un primer grupo se encuentran aquellos
fosfatos
de calcio que por s solos pueden
da rlugar a un proceso de hidrlisis con formacin de PHA o CDHA
como producto de la
reaccin. En un segundo grupo se encuentran aquellos sistemas
formados por pares de
fosfatos de calcio donde uno de ellos es el TTCP, que de hecho
es el nico que presenta una
relacin
Ca/P
>1.67. En un tercer grupo se encuentran aquellos sistemas
formados por pares
de
fosfatos de calcio cuya relacin
Ca/P
es menor que la de la
hidroxiapatita(Ca/P
4.2. Por lo tanto, cualquier otro
fosfato de
calcio
que se
encuentre
en
suspensin
en una
solucin acuosa
en
este rango
de pH
tender a disolverse y a reprecipitar como PHA. Esta reaccin de
hidrlisis puede dar lugar a
la
formacin de un cemento si se produce rpidamente y en una
extensin considerable.
La
termodinmica
del
sistema ternario
Ca(OH)
2
-H
3
PO
4
-H
2
O, en
ausencia
de
otros cidos
o
bases, indica que los procesos de formacin de PHA a partir de la
hidrlisis de un nico
fosfato de
calcio
son
cinticamente
muy
lentos debido
a una
disminucin
del
grado
de
sobresaturacin, con laprogresin de la reaccin, entre
lasisotermas del
fosfato
decalcio
considerado y la PHA.
Todaslas
sales
defosfatos de
calcio, salvo
el
TTCP, tienen
unarelacin
Ca/P menor
que la
de
la PHA. Por lo tanto, durante la reaccin de hidrlisis se
liberar
H
3
PO
4
a la solucin:
5Ca(H
2
PO
4
)
2
.H
2
O
-
Ca
5
(PO
4
)
3
OH
+ 7H
3
PO
4
+ 4
H
2
O
5CaHPO
4
.2H
2
O - Ca
5
(PO
4
)
3
OH
+ 2
H
3
PO
4
+ 9
H
2
O
5 Ca8H
2
(PO
4
)
6
.5H
2
O
-
8Ca
5
(P0
4
)
3
OH+ 6 H
3
PO
4
+ 17 H
2
O
5
Ca
3
(PO
4
)
2
+
3
H
2
O
-
3 Ca
5
(PO
4
)
3
OH + H
3
PO
4
(1.8)
(1.9)
(1.10)
(1.11)
La
disminucin
del
grado
de
sobresaturacin puede analizarse tomando como
ejemploel
caso
del
DCPD de la Ec. (1.9). Mientras el DCPD se encuentre en exceso,
la composicin de la
solucin
debera permanecer
sobre la
isoterma
de
solubilidad
del DCPD a
medida
que
procede la reaccin. Sin embargo, la acumulacin de
H
3
PO
4
mover el pH de la solucin
hacia valores
msbajos
(ver Figura 1.6.)
y se
disminuir
el
grado
de
sobresaturacin respecto
de laPHA,ya que
ambas isotermas estarn cada
vez
menos separadas.
Finalmente, la
reaccin
se
parar cuando
la
composicin
de la
solucin alcance
el
punto
de
corte
de ambas
isotermas,
ya que en
este punto singular
la
solucin estar saturada respecto
de
las dos
sales.
En el caso del TTCP, la hidrlisis de esta sal produce
Ca(OH)
2
como subproducto:
3
Ca
4
(PO
4
)
2
O+ 3H
2
O->2Ca
5
(PO
4
)
3
OH+ 2
Ca(OH)
2
(1.12)
Por lo
tanto,
al
aumentar
el pH la
solucin
se
har menos sobresaturada
respectode la
PHA.
Sinembargo, segn Xie et al.
(40)
, desde elpunto devista de la biocompatibilidad de los
cementos defosfatos de calcio, un pH elevado debido a la
presencia de
Ca(OH)
2
no implica
problemas de citotoxicidad.
26
-
7/24/2019 02_ferndandezAguado_capitol1
28/59
1 . Cementos seos
defosfatos de
calcio
As pues, las reacciones cementantes mostradas por las Ees.
1.8-1.12 no parecen apropiadas,
desde
el
punto
de
vista
de un
cemento para aplicaciones clnicas,
ya que a
medida
que
progresan las reacciones de
fraguado
stas se hacen ms lentas.
Para llevar
la
reaccin
de
hidrlisis hasta
la
totalidad
de la
consumicin
de la sal
original sera
necesario utilizar algn mecanismo que permitiera eliminar los
subproductos de la reaccin,
tanto de
H
3
PO 4
como deCa(OH)
2
.Sin embargo, la utilizacin de
Ca(OH)
2
o NaOH en las
Ees.(1.8-1.11)
para neutralizar el
H
3
PO
4
causa problemas adicionales debido al elevado pH
inicial en el que transcurren las reacciones. En aplicaciones
clnicas los valores elevados del
pH no son adecuados debido a que son causa de
citotoxicidad
y muerte celular
(41)
.
El
nico sistema formado
por un
solo componente
que s da
lugar
a un
cemento
fue
elaborado originalmente
porMonmaet al.
(42
'
43)
que
demostraron
que la
conversin
dea-TCP
en
CDHA
poda tener lugar en soluciones con pH de 7.5 o mayores. Sin
embargo, la
velocidad de la reaccin
fue
muy lenta, del orden de un 5 % en una hora.
Recientemente
(44
"
51)
?
se han obtenido
mejoras
importantes en las propiedades y en la
velocidad de reaccin de un cemento basado en
a-TCP
queformaCDHAcomo producto de
lareaccin
de
fraguado.
La
reaccin
de
fraguadoestara representada
por la Ec.(1.13).
3a-Ca
3
(PO
4
)
2
Ca9(HPO
4
)(PO
4
)
5
OH (1.13)
1 4 2 2 MEZCLASDETTCPCONOTROFOSFATODECALCIO
El TTCP es el nicofosfato de calcio que tiene una relacin
Ca/P
mayor que la de la HA. Por
lo tanto, el TTCP puede combinarse con uno o ms fosfatos de
calcio (de menor relacin
Ca/P) para
formular
mezclas con la estequiometrade laPHA o de la
CDHA
sin que se
formen
subproductos cidosobsicos. Desdeunpuntodevista terico,
cualquierfosfato de
calcio que sea ms cido que la HA puede reaccionar directamente
con el TTCP para formar
PHA o
CDHA segn
las
siguientes
reacciones:
7Ca4(PO
4
)
2
O+ 2Ca(H
2
PO
4
)
2
.H
2
O-6 Ca
s
(PO
4
)
3
OH + 3 H
2
O (1.14)
2
Ca4(PO
4
)
2
O+
Ca(H
2
PO
4
)
2
.H
2
O
->
Ca
9
(HPO
4
)(PO
4
)
5
OH+2H
2
O
(1.15)
Ca4(PO
4
)
2
O+ CaHPO
4
.2H
2
O->Ca
5
(P0
4
)
3
OH+ 2 H
2
O (1.16)
3
Ca
4
(P0
4
)
2
O
+ 6CaHPO
4
.2H
2
O'-2
Ca
9
(HP0
4
)(P0
4
)
5
OH
+ 13
H
2
O
(1.17)
Ca
4
(PO
4
)
2
O+ CaHP0
4
->Ca
5
(PO
4
)
3
OH (1.18)
3Ca
4
(PO
4
)
2
O+ 6
CaHPO
4
-2Ca9(HPO
4
)(PO
4
)
5
OH+
H
2
O
(1.19)
3Ca
4
(PO
4
)
2
O
+Ca
8
H
2
(PO
4
)
6
.5H
2
O->4
Ca
5
(PO
4
)
3
OH
+ 4 H
2
O (1.20)
3 Ca4(PO
4
)
2
O+ 3
Ca8H
2
(PO
4
)
6
.5H
2
O
-4 Ca
9
(HPO
4
)(PO
4
)
5
OH + 14 H
2
O
(1.21)
Ca4(PO
4
)
2
O+ 2Ca
3
(PO
4
)
2
+
H
2
O-Ca
5
(PO
4
)
3
OH
(1.22)
27
-
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29/59
1 . Cementos seos
de
fosfatos
de
calcio
Las combinaciones TTCP+OCP, TTCP+a-TCPyTTCP+p-TCP
representadaspor las
Ees. (1.20-1.22) poseen puntos singularesmuy cercanos a la
isoterma de solubilidadde la
PHA.Por lotanto, tienenungradodesobresaturacinmuy
bajo
y lasreacciones defraguado
son tan lentas que estos sistemas no son aptos para la
fabricacin de materiales de tipo
cemento
7
Slo las mezclas formadas por pares TTCP +MCPM, TTCP + DCPD y
TTCP + DCP
ofrecencombinaciones adecuadas desde
el
punto
d e
vista
de las
propiedades
de
fraguado
y de
endurecimiento del cemento que se forma.
La combinacin TTCP + MCPM no suele producir reacciones de un
solo paso como las
reflejadas en las Ees. (1.14) y (1.15). Parece ser que durante
elproceso de fraguado la
formacinde DCPD, como producto intermedio de la reaccin, est
favorecida cinticamente
( 5 2 , 5 3 ) p^
p
esar
d
e
todo
el
producto
final de la
reaccin
de fraguado
sigue siendo
PHA o
CDHA
segn la estequiometra del sistema.
Lascombinaciones TTCP+DCPD yTTCP+ DCP hansidolas msestudiadas
(
13
>
3 9
>
4 0
>
5 2
-
6 3
> .
Ofrecen laposibilidaddeobtener unmaterial detipo cemento qu e
fragua yendurececon el
tiempo a temperatura ambiente o corporal en un margen de pH
entorno al neutro. La no
citotoxicidad
es una propiedad fundamental para este tipo de materiales en
aplicaciones
biomdicas.
Los resultados ms importantes obtenidos de la investigacin del
sistema TTCP + DCPD o
DCP
indican que, adems
de los
factores termodinmicos,
son muy
importantes
los
factores
cinticos que controlan tantoa las fases que se estn disolviendo
como a lanueva
fase
de
PHA que se est formando
t
52
-
53
'
58
"
68
^
especialmente en un sistema de tipo cemento en el cual
el
factor tiempo es limitado
(58)
.Estas
conclusiones son extrapolables a cualquier otro sistema
defosfatos decalcioquepuedan formaruncemento.
Por este motivo, mientras no se conozcan los mecanismos cinticos
que controlan los
procesos de fraguado y de endurecimiento de cada uno de los
sistemas, las conclusiones
termodinmicasque sepuedan extraer apartirdelanlisisde
losdiagramasdesolubilidady
estabilidad
relativa
de los
distintosfosfatos deben tomarse
en
primera aproximacin pero casi
nunca
como una explicacin veraz de lo que realmente est
ocurriendo.
1.4.2.3.-
FOSFATOS
DE
CALCIO
CON
Ca/P
4 0
>
5 5
-
6 0
6 3
>
8 9
> . La utilizacin de una
solucin diluidade
H
3
PO 4
(0.2%enpeso)enlugardeagua permiteunarpida disolucinde
los
componentes slidos
del
cemento para alcanzar
la
composicin
del
punto singular, donde
ambas fasesseencuentranenequilibriocon lasolucin
(13)
.
El
efecto
de laadicinde
H
3
PO 4
sobrelostiemposde fraguado y losproductosdereaccin
seinvestigen un cemento
