Hidroxiapatita

Hidroxiapatita cu formul chimica Ca10(PO4)6(OH)2 este un material ceramic pe baza de fosfat

de calciu, folosit de peste 20 de ani in medicina si stomatologie. Ea este similară chimic cu

partea minerală a ţesuturilor dure ale mamiferelor.Are doua caracteristici importante si anume:1 -

raportul molar Ca:P de 1,67 si 2 - este un compus fosfatic hidratat. Este osteoconductivă,

permiţând creşterea osului în interiorul implantului. În formă densificată nu are proprietăţi

mecanice suficient de bune pentru a putea fi folosită în aplicaţii care presupun eforturi mecanice

importante (ortopedie).

Exista sub doua forme:

naturala - constituie partea mineralizata anorganica a oaselor si poate exista in structura

acestora in proportie de pana la 65%.

preparata comercial - prezinta biocompatibilitate (este capabila de a realiza legaturi

chimice directe cu tesutul osos viu).

Biocompatibilitatea presupune acceptarea unui implant artificial de către tesuturile

inconjurătoare si de către intregul organism in ansamblu.

Este cel mai puţin solubilă dintre fosfaţii de calciu. Se descompune termic la temperaturi

cuprinse între 800-1200°C, în funcţie de modul de obţinere. Pentru condiţii speciale de sinteză

poate fi stabilă până la temperaturi de 1500°C.

La alegerea metodei de obţinere, precum şi atunci când sunt stabilite materiile prime şi

parametrii de procesare, trebuie ţinut cont nu numai de compoziţia ce se doreşte a fi obţinută, dar

şi de proprietăţile vizate, în conformitate cu aplicaţiile specifice:

Pulberi corp ceramic dens corp ceramic poros straturi subtiri

corp ceramic poros =>pori cu dimensiunea de aprox. 150 μm vor permite dezvoltarea ţesuturilor

în interiorul implantului.

Exista mai multe metode de obtinere a hidroxiapatitei: reactii in faza solida, reactii de co-

precipitare, reactii sol gel, reactii hidrotermale, preparare biomimetica.

Reactii in faza solida:

Se utilizează ca materii prime compuşi de calciu şi fosfor:

(PO4)2, Ca2P2O7, Ca(H2PO4)2·H2O, CaHPO4, CaHPO4 ·2H2O,

Ca8(HPO4)2(PO4)4 ·5H2O

CaCO3, CaO,

în prezenţa vaporilor de apă.

Se obțin în general pulberi cu: dimensiuni granulare mari; forme neregulate; compoziție

neomogenă.

Reactii de co-precipitare:

Se utilizează ca materii prime compuşi de calciu şi fosfor:

NH4H2PO4, (NH4)2HPO4, H3PO4;

CaCl2, Ca(NO3)2, (CH3COO)2Ca, Ca(OH)2, Ca(NO3)2, CaSO4.2H2O.

Se foloseşte NH4OH pentru reglarea pH-ului la valori pentru care hidroxiapatita este stabilă.

Cristalinitatea HAp creşte cu temperatura de reacţie:

daca temperatura de reactie este < 80°C=> caracter slab cristalin.

daca temperatura de reactie este >80 – 100°C=> HAp cristalină.

Gradul de deficienţă al structurii este influenţat de pH-ul mediului de reacţie: scade pe măsură ce

creşte pHul.

Se obţin structuri cu diferite rapoarte Ca/P, cuprinse între 1,75 şi 1,67, în care pot apare cu

uşurinţă substituţii cu specii străine, care intră în poziţiile grupărilor [PO4]-3 este necesar ca prin

metodele de sinteză să fie eliminată prezenţa unor specii cum ar fi: SiO4-4, SO4-2, CO3-2, etc.

Reactii sol-gel:

În ultimii ani, cel mai frecvent utilizată rută în sinteza hidroxiapatitei este cea neconvenţională:

sol-gel.

Se porneşte de la CaO şi H3PO4 ca reactivi iniţiali.

Reacţia este influenţată de: raportul Ca/P în reactanţi; temperatura de reacţie; timpul de maturare

a gelului; temperatura de uscare a gelului

După calcinare la 800°C, pulberea cu raportul Ca/P = 1,67:

preparată la 23 şi 50°C => două faze HAp şi C3P;

preparată la 80°C => o singură fază HAp.

=>Influenţa importantă a temperaturii de reacţie asupra compoziţiei fazale.

Precipitatul obţinut pentru raportul Ca/P = 1,67:

preparat la 23°C =>poros;

preparat la 50 şi 80°C =>cristale mai “compacte”.

=>Influenţa importantă a temperaturii de reacţie asupra morfologiei fazelor.

Suprafaţa specifică a pulberilor, determinată după calcinare, este de 12,78 - 29,44 cm2/g:

cea mai mică valoare corespunde sintezei la 23°C;

cea mai mare valoare corespunde sintezei efectuate la 80°C;

este dependentă şi de raportul Ca/P considerat

Raportul Ca/P din amestecul de materii prime influenţează raportul Ca/P din pulberea obţinută

=> pentru a obţine un raport Ca/P care să se aproprie de raportul HAp, este necesar un raport

Ca/P mai mare - peste 2,5.

=>pentru raportul Ca/P în soluţie cuprins între 1 – 1,25 => în precipitat raportul Ca/P practic

rămâne constant, de 1,33;

=>pentru raportul Ca/P din soluţie cuprins între 1,25 - 1,50 => se înregistrează o creştere

importantă a raportului Ca/P de la 1,33 la 1,48;

=>pentru raportul Ca/P în soluţie cuprins între 1,50 - 2,50 =>se înregistrează o creştere foarte

mică a raportului Ca/P.

Prin sinterizare la 1250°C se obţin materiale ceramice cu densitatea aparentă cuprinsă între 3,12

– 3,15g/cm3, ceea ce reprezintă aproximativ 99% din densitatea teoretică.

Reactii hidrotermale

Sunt reacții care decurg în soluții apoase, situate într-o incintă închisă, la temperaturi și presiuni

crescute (>100oC, >1atm).

La temperaturi şi presiuni ridicate există continuitate între faza lichidă şi cea de vapori lichide

supracritice (la temperaturi mai mari decât temperatura critică).

În funcție de acțiunea asupra solidelor, fluidele hidrotermale se clasifică în:

Mediu de transfer: transfer de căldură, presiune sau energie cinetică;

Adsorbant: adsorbit și desorbit la suprafaţă;

Solvent: dizolvare şi precipitare;

Reactant: se formează noi compuşi.

Procesarea hidrotermală presupune un aport de energie suplimentar => atingerea echilibrului cu

viteză ridicată.

produși de reacție cu grad mare de cristalinitate;

nu mai este necesară calcinarea;

cristale compacte de mici dimensiuni;

pulberi neaglomerate, datorită energiei mici de suprafaţă (datorită rearanjării

particulelor, cu atingerea unei stări cu energie minimă);

omogenitate compozițională, fără produși secundari de reacţie.

S-au obţinut monocristale de hidroxiapatită cu dimensiuni de 0,3mm prin hidroliza fosfatului

dicalcic anhidru, într-o “bombă” hidrotermală placată cu platină, la 300oC și 8,6MPa.

Prin controlarea gradientului de temperatură s-au preparat monocristale cu dimensiuni de

7x3x3mm:

HAp manifestă solubilitate retrogradă în fluide hidrotermale la temperaturi între 300 și

670oC și presiuni de 310-414MPa;

Se alimentează cu materii prime zona mai rece (are loc dizolvarea), urmând ca în zona

caldă să se formeze cristalele de HAp.

S-a evidențiat influența grupărilor CO32- asupra morfologiei monocristalelor, la creşterea în

condiţii hidrotermale din fosfat dicalcic dihidrat:

>0,1% cristale aciculare;

< 0,1% cristale echiaxiale.

S-au obținut cristale fine de HAp cu grad ridicat de cristalinitate la 200oC și 2 MPa;

cristale uniforme;

dimensiunea cristalelor: 25x25x90nm;

pulberi neaglomerate;

pulberi omogene compozițional;

nu există tensiuni reziduale în cristale.

Cristale nanometrice de HAp obţinute prin metoda hidrotermală.

Preparare biomimetica

Nu s-a reuşit încă imitarea abilității naturii de a asambla compuşi anorganici în structuri

biologice => cercetări extensive sunt dedicate biomineralizării.

Formarea osului în prezenţa implanturilor depinde în final tot de organismul viu.

S-au preparat materiale biomimetice de substituţie, pentru os, prin precipitarea HAp pe suprafaţa

fibrelor de colagen.

=>nu s-a reuşit imitarea structurii osului natural;

=>sunt utilizate în aplicaţii clinice.

Cel mai simplu mod de a aborda prepararea biomimetică a apatitelor îl constituie utilizarea SBF

ca mediu de reacție:

=>cristale nanometrice, cu morfologie aciculară;

=>materiale cu proprietăți mecanice și stabilitate termică îmbunătățite.

Prepararea HAp în prezenţa surfactanţilor a condus la obţinerea unor cristale lamelare.

Precipitarea în prezenţa polielectroliţilor organici conduce la obţinerea aşa numitelor

organoapatite. Controlul pHului şi a concentrației ionilor este foarte important pentru obţinerea

HAp.

Una dintre diferențele majore între prepararea HAp în condiții de laborator și formarea în

organismul uman este dată de viteza de precipitare:

precipitarea în condiții biologice poate dura luni => o durată similară de reacție se poate

obține prin separarea reactanților prin intermediul unei membrane sau a unui mediu, care

acționează ca o barieră de difuzie;

mediul de separare poate conține grupări funcționale biomimetice, care să influențeze

modul de creștere a cristalelor.

Cristale de HAp obținute prin cristalizarea în condiții de pH și concentrații controlate.

Colagenul

Colagenul este o proteina a tesutului conjuctiv din organism. El se gaseste intr-o cantitate

destul de mare atat in tot corpul omului, cat si al animalelor. Mai mult de 25% din proteinele de

la mamifere sunt constituite din colagen. Molecula de colagen are multe forme diferite si variate.

Colagenul este principala proteină structurală din cele mai multe ţesuturi conjunctive moi, laxe,

semirigide şi rigide (piele, oase, tendon, membrane bazale etc.), care asigură în principal

integritate structurală ţesuturilor. Biosinteza sa este un proces complex, având loc în două etape:

intra- şi extracelulară: Aceasta începe în fibroblaste şi se termină cu agregarea fibrilelor în fibre –

componente ale matricei extracelulare (MEC).

Polimer natural, colagenul este constituit din 20 de aminoacizi, aranjaţi în secvenţe

caracteristice, ce formează o structură conformaţională foarte complexă, organizată pe patru

nivele, numite structuri primară, secundară, terţiară şi cuaternară.

Până în prezent au fost descoperite 29 tipuri de colagen. Dintre acestea, cunoscute şi

caracterizate până în prezent, cel mai utilizat ca biomaterial este colagenul tip I. Molecula de

colagen tip I (tropocolagen) este un heterotrimer alcătuit din trei lanţuri α-polipeptidice (două

identice – α1 şi unul diferit – α2) răsucite împreună de la dreapta spre stânga în jurul unei axe

comune, formând helixul triplu.

Colagenul, singur sau în asociere cu alte molecule din MEC, are rol important în fiziologia şi

comportamentul celulelor din ţesuturile conjunctive. Altă proprietate biologică importantă este

biocompatibilitatea, datorată toxicităţii scăzute şi reacţiilor imunogene slabe. Pentru a fi utilizat

ca biomaterial, colagenul extras trebuie să aibă structură cât mai apropiată de cea nativă, de helix

triplu, caracteristică moleculei de colagen. Extragerea colagenului se face prin diferite

tehnologii, cea mai veche fiind fierberea ţesuturilor în apă, care însă denaturează colagenul şi

conduce la binecunoscuta gelatină. Totuşi, pentru utilizarea ca biomaterial, colagenul trebuie

obţinut în stare nedenaturată. Tehnologiile de extragere a colagenului se împart în două grupe:

- în stare denaturată – TECD – când cca 90% din molecule sunt în stare denaturată;

- în stare nedenaturată – TECN – când cca 70% din molecule sunt în stare nedenaturată (cu

păstrarea structurii elicoidale).

Nivele structurale de extractie a colagenului din piele prin TECN şi TECD

Tehnologiile de extracţie a colagenului în stare nedenaturată permit obţinerea colagenului

sub formă de suspensii de fibre – pastă de colagen, gel fibrilar şi soluţii coloidale. Colagenul

nedenaturat se poate izola şi purifica prin două tehnologii, în funcţie de nivelul structural dorit: în

stare moleculară şi fibrilară. Acestea permit extragerea colagenului tip I din piele de bovină în

mediu apos cu păstrarea structurii triplu helicoidale a moleculelor, respectiv microfibrilelor şi

fibrilelor.

Cele mai utilizate extracte colagenice care stau la baza obţinerii biomaterialelor sunt gelurile

şi soluţiile de colagen tip I. Gelul este definit ca un sistem cu proprietăţi intermediare între ale

unui lichid şi ale unui solid. Astfel, gel poate fi un fluid puţin viscos, dar şi un material foarte

viscos. La pH-ul izoelectric gelul de colagen separă fibrile şi fibre, devenind dispersie.

Capacitatea de combinare a colagenului cu acizii este determinată de numărul grupelor

bazice, iar cea de combinare cu bazele de numărul grupelor carboxilice. Datorită grupelor bazice

şi acide din catenele laterale ale lanţurilor polipeptidice, colagenul este un polimer amfoter. O

moleculă de colagen conţine aproximativ 240 grupe amină în resturile de lizină, hidroxilizină şi

arginină şi 230 grupe carboxil în cele ale acizilor aspartic şi glutamic. Grupele amidă din lanţul

polipeptidic şi hidroxil din catenele laterale au însemnătate redusă în ceea ce priveşte caracterul

amfoter.

Obţinerea biomaterialelor pe bază de colagen pleacă de la extracte de colagen nedenaturat –

geluri sau soluţii – care se condiţioneză prin modificări chimice şi fizice, uscare liberă sau

liofilizare. Pentru păstrarea conformaţiei de helix triplu, procedeele de condiţionare nu trebuie să

utilizeze o temperatură mai mare de 300C. În procedeele elaborate pentru obţinerea

biomaterialelor pe bază de colagen nedenaturat, operaţii cheie sunt considerate renaturarea,

modificarea chimică, compatibilitatea cu compuşi bioactivi, uscarea sau condiţionarea sub formă

finală.

Metodele de reticulare conduc la crearea de legături chimice suplimentare între moleculele

şi/sau fibrilele de colagen, mărind stabilitatea mecanică şi chimică şi, în consecinţă, reducând

biodegradabilitatea. Reticularea chimică constă în reacţia colagenului cu aldehide, diizocianaţi,

carboimide, acil-azide, compuşi poliepoxidici şi polifenolici, care conduc la formarea de legături

ionice sau covalente între molecule sau fibrile. Dintre agenţii de reticulare chimică, aldehida

glutarică (AG) este cea mai utilizată datorită eficienţei mari în ceea ce priveşte stabilizarea

biomaterialelor colagenice.

Reticularea cu AG implică reacţii ale grupelor -amină libere ale lizinei sau hidroxilizinei din

lanţurile polipeptidice cu grupele aldehidice. Polifenolii au fost utilizaţi, sub formă de tanini

vegetali, pentru tanarea pieilor animale de foarte mult timp. Aceştia sunt buni agenţi de reticluare

datorită multiplelor interacţiuni cu proteinele, mărind astfel stabilitatea colagenului din

hidrogeluri sau matrici spongioase. După reticulare, gelurile de colagen pot fi condiţionate prin

procedeele de uscare, cele mai utilizate fiind liofilizarea şi uscarea liberă la temperaturi de cca

25°C. Nici unul din procedee nu produce denaturarea extractelor.

Liofilizarea este o tehnică de condiţionare avantajoasă, care constă în uscarea probelor

congelate prin sublimarea în vid a gheţei. Procesul de liofilizare a gelurilor/soluţiilor de colagen

are loc în două etape: îngheţare rapidă, urmată de uscare. Prin uscare se îndepărtează la început

apa liberă, apoi cea legată de grupele polare ale colagenului. În locul cristalelor de gheaţă se

formează pori, iar colagenul se renaturează în fibrile şi fibre. Biomaterialele obţinute sunt

spongioase, se numesc matrici şi au proprietăţi similare matricei extracelulare. Biomaterialele pe

bază de colagen au o varietate de forme: hidrogeluri, membrane, matrici, fire, tuburi, compozite,

obţinute din extracte de colagen nedenaturat.

Biomaterialele pe bază de colagen sunt din ce în ce mai apreciate de specialiştii din

medicină şi stomatologie. Deşi se bucură de o atenţie deosebită în ultimul timp, suporturile de

colagen pentru cedarea medicamentelor sunt încă în stadiul de cercetare sau/şi experimentare

clinică. Scopul DDS fiind eliberarea controlată a medicamentelor la locul afectat, biomaterialele

utilizate ca DDS trebuie să fie biocompatibile cu organismul uman, să se resoarbă într-un anumit

interval de timp, să nu fie toxice, să inducă o bună funcţionalitate a ţesuturilor afectate, pentru a

avea ca rezultat vindecarea acestora. În realizarea unor astfel de biomateriale complexe sunt

implicate mai multe domenii interdisciplinare.

Realizarea biomaterialelor pe bază de colagen sub formă de suporturi pentru cedare locală

de medicamente în cantitatea şi cu viteza dorită are ca motivaţie utilizarea acestora în tratamentul

diferitelor afecţiuni ale pielii (răni, arsuri, infecţii provocate de diferite bacterii) şi/sau ţesuturi

moi (boli parodontale, ulceraţii ale mucoaselor, extracţii dentare).

Nanoparticule de argint

Unul dintre cele mai remarcabile aspecte referitoare la argintul coloidal este faptul că are un

spectru extrem de larg de aplicaţii şi întrebuinţări biomedicale. În timp ce un antibiotic

farmaceutic convenţional este eficient împotriva a şase sau şapte tipuri de germeni şi total

ineficient contra virusurilor, generând cel mai adesea efecte secundare nedorite, argintul este

letal pentru mai mult de 650 de tipuri de bacterii, virusuri şi fungi, fără însă a fi toxic pentru

organismul uman. Spre deosebire de medicamentele de sinteză ce reacţionează chimic cu

anumite enzime, acţiunea biologică a argintului este de tip catalitic, dezactivând mecanismele

enzimatice de oxigenare celulară ale microorganismelor. Prezenţa sa „sufocă” viruşii, bacteriile

şi fungii fără a face niciun rău organismelor multicelulare, care au un sistem enzimatic cu totul

diferit.Testele de laborator au arătat că argintul coloidal (5-10ppm) omoară majoritatea

bacteriilor, fungilor şi virusurilor în 2-6 minute de la contact. Particulele care generează coloizi

se situează în gama de mărime 0.001 μm până la 100 μm.

Acţiunea ionilor de argint nu se limitează numai la bacterii, medicamentele care conţin

argint pot distruge sute de viruşi, fungi şi protozoare. În ultimul timp nanotehnologiile au

relevant capacitatea ionilor de argint de a lupta cu cancerul. Astfel, s-a demonstrat că soluţiile de

argint coloidal sunt capabile să inhibe aderenţa şi mobilitatea celulelor tumorale. S-a constatat că

aceste particule cu dimensiuni cuprinse între 2 şi 10 nm au capacitatea de a adsorbi şi distruge

bacteriile care afectează in situ ţesuturile umane şi îmbunătăţesc mecanismele imune şi pe cele

de reparaţie tisulară.

Experimentele ştiinţifice au arătat că argintul coloidal este eficient şi activ în tratarea multor

afecţiuni importante: infecţii microbiene, fungice, parazitare şi virale ale pielii, organelor

senzoriale, ale tracturilor digestiv, respirator şi urinar, boli autoimune şi chiar cancer.

Procesul de reconstrucţie a ţesuturilor sau de vindecare a plăgilor se accelerează în prezenţa

argintului. În plus, prezenţa argintului coloidal a permis vindecări ale unor răni grave fără să lase

cicatrice sau cu cicatrice mult mai mici decât în mod obişnuit. Cicatricele se dezvoltă atunci când

celulele nediferenţiate nu există în număr suficient de mare. Pe baza acestor dovezi se presupune

că argintul coloidal ar reduce sau elimina cicatricele interne şi ar accelera vindecarea după

operaţiile chirurgicale. Rezultate deosebite s-au obţinut în refacerea rapidă după fracturi, rupturi

musculare sau ligamentare, entorse, luxaţii, arsuri, ulceraţii cutanate etc.

Biofuncţionalitatea şi acţiunea catalitică a argintului se atribuie faptului că se poate adsorbi

pe suprafaţa unor proteine implicate în procvesele biologice, mărindu-le astfel reactivitatea.

Materiale compozite pe baza de COL/HA