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Sntesis y Anlisis de Hidroxiapatita57
Sntesis y Anlisis de HidroxiapatitaMartha DoreUy Rodrguez
B.l
REsUMEN
Se realiza un estudio sobre hidroxiapatita
ceramizada,sintetizada en Colombia, para valorar sus
propiedadesfisicoqumicas, comparndola con dos
productosnorteamericanos, segn normas de la USP en relacin conla
proporcin cuantitativa de CaIP, estructura medianteespectroscopa
infrarroja, textura mediante microscopaelectrnica de barrido,
estabilidad y determinacin deimpurezas, encontrndose que el
producto en estudio poseepropiedades equivalentes con los productos
de control.
INTRODUCCIN
En los ltimos decenios se han empleado diferentesbiomateriales
como vidrio alumina, polietileno y cermicasde fosfato de calcio
para la reconstruccin de defectos seos.Entre stos la
hidroxiapatita, HA, ha presentado resultadossatisfactorios como
material de implante seo; sus principalesventajas son las
excelentes biocompatibilidad y bioactividad.
Las propiedades fisicoqurnicas de la hidroxiapatita, comosu
composicin, estructura y textura, determinan subiorresorcin.
En el mtodo de sntesis presentado a continuacin se obtieneuna HA
pura, estequiomtrica, estructural y superficialmentesimilar a la
parte mineralizada del tejido seo. La HA se hadiseado para permitir
fibrovascularizacin cuando se implanta.
El uso clnico de la HA consiste en la aplicacin sola o
encombinacin con hueso para reconstruccin de defectos
seoscraneomaxilofaciales; como implante intraorbitario
enoftalmologa y para el recubrimiento de prtesis o implantesde
oseointegracin.
1. MATERIALES y MTODOS ANATICOS.
Se estudia HA sintetizada, material ceramizado, en grnulos
detamao de partcula aproximado malla 20-402
Grupo de Control:HA, no reabsorbible en grnulos malla 20-40 ,
norteamericana'
A. DETERMINACIN QuMICA CUANTITATIVA DE CALCIO yFSFORO
La determinacin de Calcio, Ca, se realiza por el mtodo
detitulacin con EDTA [2].
La determinacin de Fsforo, P, se realiza porespectrofotometra
UV, con la tcnica de reduccin con cidoascrbico segn Murphy y Riley
[9].
Se toman cinco muestras al azar de cada sntesis, y seadecuan
segn se estipula en la USP xxm [11], se valorancontenidos de Ca y P
y se calculan las relaciones molares CalP respectivas.
B. EsPECTROSCOPA INFRARROJA.
Los espectros IR de las muestras dispersadas en KBr(1mgl300
tableta), se obtuvieron en la regin del espectro entre 4.000y 250
cm", usando un espectrofotmetro PeIkin Elmer 1750IR-FT Y467
IR-FT.
C. DIFRACCIN RAYOS X.
Los difracto gramas se tomaron en difractmetro
Philips,utilizando cobre, y con un barrido entre cero y 70
grados.
D. MICROScopfA ELECTRNICA DE BARRIDO(SEM)
El anlisis de estructura superficial se realiza
medianteampliacin con microscopa electrnica de barrido.
IQuimica Fannaceutica, Universidad Nacional de Colombia2
Colombia IMPLASTIC - HA, Madrob Farmacutica, HA 1:Orthomatrix, USA;
HA 2: CaIcitite, CaIcitek, USA
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58Revista Ingeniera e Investigacin No. 41 Diciembre de 1998
y 12 con amoniaco.Para observacin al microscopio electrnico se
recubrencon una pelcula de oro por el mtodo de pulverizacincatdica
al vaco. Se colocan las muestras en una cmarade vaco que se lleva a
0,3 Torr y se establece una diferenciade potencial de 1.600V entre
el nodo de oro y la muestradurante un tiempo de un minuto, a 15 mA.
Se tomanmicrofotografas con aumento 260x 1360x y 341x a 30 KVde
energa del haz de electrones.
E. PRUEBASLMITESOFICIALESUSP XXIll
PARALADETERMINACINDEIMPUREZAS.
Segn la metodologa oficial descrita en la USP xxm[11,12] se
cuantifica la presencia de As, metales pesados ,prdida por ignicin,
substancias insolubles en cido,substancias solubles en agua,
carbonato, cloruro, sulfato,nitrato, Bario, sal dibsica y xido de
calcio.
F. ENSAYO DE ESTABILIDAD ACELERADA.
Se aplic el test de disolucin USP xxm [11] paratabletas, dentro
de las siguientes condiciones:
Medio: Buffer pH 6,5Volumen del medio: 100m1rpm: 50Equipo:
Sistema para test de disolucin oficial USP XXllIcon
paletas.Cantidad de granulado por vaso: 1 gramo
exactamentepesado.Temperatura: 37 -cNmero de muestras: seis para
cada material.Tiempo: 10 meses. Al cabo de ste tiempo se analiz
elcontenido de Ca disuelto por precipitacin de oxalato decalcio,
mtodo USP XXIII.
11. SNTESIS QUMICA.
El procedimiento se basa en la reaccin de precipitacinen agua de
sales de calcio y de fsforo en medio alcalinosegn la ecuacin:
que es el mtodo ms respaldado para producir HA hasta elmomento
[1].
Se emplean soluciones 0,5M de Ca(N03)2 4H20y 0,3Mde
(NH4)2HP04ajustadas respectivamente a pH entre 11
Todos los reactivos son reactivos analticos Merck y elagua
destilada libre de CO2.
El reactivo limitante es el nitrato de calcio.
El procedimiento sigue las etapas planteadas por Hayeky Jarcho
[1,6]: precipitacin con agitacin fuerte y atemperatura ambiente,
centrifugacin, filtracin, secadoy sinterizacin.
Con el objetivo de obtener una HA estequiomtrica conlas mejores
propiedades fisicoqumicas en cuanto acomposicin, estructura y
textura para su ptimodesempeo como material de implante seo, se
hanintroducido dos modificaciones a los mtodos descritos queson: 1)
Forma y velocidad de adicin de las soluciones decalcio y de fsforo
y 2)La atmsfera presente.
Fijando las condiciones del proceso de sntesis se realizancinco
experimentos de obtencin de HA de acuerdo con elsiguiente
procedimiento [10]:
La precipitacin se efecta en un reactor de vidrio dedos bocas
adaptadas para cargar las soluciones previamenteestandarizadas de
calcio y de fsforo. El reactor contieneagua ajustada a pH a 11-12
con amoniaco, en agitacinmagntica. En stas condiciones se inicia la
adicinsimultanea de las soluciones reactantes. Todo el sistema
desntesis debe estar aislado dentro de una cmara de
atmsferacontrolada saturada con gas nitrgeno. Las dems etapasdel
proceso de sntesis siguen lo descrito en el mtodoreferenciado.
111. RESULTADOS.
A.COMPOSICIN.
La forma y la velocidad de adicin de las soluciones decalcio y
de fsforo, influyen en la relacin molar Ca/P de laHA, vase en el
cuadro 1.
CUADRO 1. CONDICIONES PUADAS EN CADA EXPERIMENTO DH SINTBsIS
PARAOBTBNBR IIIDROXIAPATlTA
ISfntem 1 2 3 4 ~CcnccIItnci6n deCl(NO,.411O 0.'100 0.386 0.643
0'100 o.sooCcnccIItnci6n de (NII.IIPQo 0282 02.llt __o.m 028?
O'1I?V_de_deloo __
2.2 3,0 4.0 12.0 12,0SoIad6ndeCa.mI_' 2.2 3,0 3,5 12.0
12.0SoIad6ndeFoof_Cml_)S_"CI11ooora 800 1.100 1100 1.100 1.100-
N.c.) Nonnal Normal N.c.) N,.)_CoIP ~.18 1.!I8+0.02 1.66+0.02
1,67+0.01 1,67+0.01
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Sntesis y Anlisis de Hidroxiapatita
59
Figura I.Espectro IR de hidroxiapatita no reabsorbible obtenida
en las sntesis 3,4 y5.
Figura 2. Espectro IR de hidroxiapatita calcinada a 800 y
1.100C.Slntesis 5,[pelkin Elmer 467 I.R.-FT.]
B.EsPECIRO IR. ESlRUCIURA.
Aparecen las bandas caractersticas de los grupos componentesde
la molcula (vense figuras 1Y2)
l. Vibracin a 3570 crrr', tpica del grupo OH',para
diferenciarlade otros fosfatos de calcio y considerarla como
apatita.
2. Estiramiento intenso y ancho entre 1.000 y 1.150 cm", tpico
delfosfato de apatita. A diferencia de otros fosfatos (banda
msaguda que se explica por la presencia del grupo OH)
3. Banda caracterstica del grupo O-P-O, entre 550 y 600 cm"
delgrupo fosfato.
4. Ausencia de bandas en la regin 1.420-6 cm" perteneciente
acarbonato.
5. El IR del producto sometido a S00-900 OC,presenta banda
msaguda en la regin 1.000-1.150 cnr' y similar a la de los
fosfatosnormales y puede incluir bandas en la zona 1.420-6 cm'l de
CO
3.
c. DIFRACCIN DE RAYOS X.
Los picos principales encontrados en el difractograma(Vese
Figura 3) son: 2,87 N, 2,60 N Y2,07 AO.
!~~lL~~It_~,,!- Fl~_.~~~~~_~~~~~ _. _ _ - ---
0.81 ~
0.64 i
0.25
0.16
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60Revista Ingenieria e Investigacin No. 41 Diciembre de 1998
Figura 3 Difractograma de Rayos X de hidroxiapatita no
reabsosrbible,
sntesis 5 Difractmetro de rayos x Philips. Picos
principales:2,87 A ,2,60
Ny 2,07 N.
D. MICROSCOPA ELECTRNICA: TEXTURA.
En las microfotografias SEM de las figuras 4 y 5 se observala
unidad cristalina de la apatita, y su correspondencia con ladel
producto sinterizado a l. 100C, cuya superficie se veformada por
agregados cristalinos grandes (l.oooA enpromedio), densos y
homogneos, tpicos de un materialcermico.
Comparando la SEM se ve la similitud de la microestructuradel
hueso (Vese figura 7) y el producto cermico ( Vesefigura 8).
El producto a 900C, muestra estructura superficialmicroporosa,
con grnulos de menor tamao (200 A enpromedio) (Vese figura 6).
Figura 4 .. Microfotografla de barrido electrnico SEM
I.OOOXdonde se
identifica el cristal de la apatita [14]
Figura 5. Microfotografla de barrido electrnico SEM, 5000X, 30KV
de
hidroxiapatita sntesis 5
Figura 6. Microfotografla SEM, 560x de hidroxiapatita a 800C,
sntesis l.
Figura.7. Microfotografla de barrido electrnico SEM, 5450X,30KV,
de
hueso condilar humano. (Cortresia del Dr. Luis Alberto
Campos)...
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Sntesis y Anlisis de Hidroxiapatita61
Figura 8. Microfotografia Sntesis 5 SEM, 680X,30KV, de
Hidroxiapatita
no reabsorbible
Figura 9. Microfotografa de barrido electrnico SEM, 1360X,
30KV,de
de hidroxiapatita no reabsorbible; sntesis 5.
Figura.IO. Microfotografia de barrido electr6nico,SEM 341X,30KV,
de
hidroxiapatita no reabsorbible, sntesis 5
E. DENSIDAD VERDADERA.
Se determin una densidad de 3,1 g/cm' de acuerdo con lasnormas
ASTM para HA.
F. DETERMINACIN DE IMPUREZAS o ENSAYOS LfMrrEs
OFICIALESUSPXXIll.
Las especies determinadas segn la USP, reportan
resultadosinferiores a los lmites establecidos(cuadro 2), indicando
queno hay impurezas.
CUADRO 2. PRUEBAS LIMl11!S FlaALES uSP XXIII PARA
HlDROXlAPArnA,
EFECIUADAS AL PRODucro DE HA OBTENIDO.
G. EsTABIUDAD ACELERADA.
En todas las muestras analizadas la prueba de calcio
esnegativa.(Vese cuadro 3)
CUADRO 3. REsULTADOS DEL ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTABnIDAD
ACELERADA DE LA HIDROXlAPArnA NO REABSORBmLE OBTENIDA SEGN
LA
SlNTEslS 5,VERSUS HAly HA2.
Pruebas Cualitativas de Calcio, 10 meses, 37"C, pH 6,5
IV. DISCUSIN
A.COMPOSICIN.
l. ADICIN DE LOS REAcnvOS.
Cuando las especies se adicionan a tasas aproximadamenteiguales
y a un mismo tiempo(12ml/min), la composicin deHA obtenida se
favorece, lo que permite aceptar que se optimizala composicin de la
relacin molar CaIP=I,67.
2. A1MSFERA INERTE.
La ausencia de bandas caractersticas de COl-, en los.productos
obtenidos en las sntesis 4 y 5( figuras 1 y 2),demuestra la
importancia de evitar la presencia de aireambiental durante el
proceso de sntesis, constituyendo unacondicin sine qua non para
obtener HA estequiomtrica librede carbonato.
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62Revista Ingenieria e Investigacin No. 41 Diciembre de 1998
El efecto de la temperatura en las propiedadesfisicoqumicas del
producto se logra al someterlo entre 1.000y 1.1OO"C, pues se pierde
agua y carbonato y se produce unmaterial cermico denso,equivalente
a una oxihidroxiapatitacon un Kps de lx1Q-1I7M.(HA estequiomtrlca)
[1]. (vasefigura 8).
Considerando los resultados obtenidos en los
anlisisfisicoqumicos de stos tres productos se puede afmnar:
1.La relaci6n CalP=1,67 es igual en los tres casos, lo
quesignifica composici6n qumica similar o equivalente.(vasecuadro
4)
CuADRO 4. EsruoJO roMPARATIVO DI! CXlMPOSKlN. RaAaN MOUR CaIP:HA
OBTENIDA VERSUS HAI y HAl.
El proceso de sinterizaci6n permite la producci6n de unaHA que
por ser una porcelana es de consistencia dura, conuna constante de
solubilidad de lxlQ-lI'M (=O) y se puededefinir como no
reabsorbible cuando se implanta en los tejidosdel cuerpo. Esta es
la molcula de HA pura, estequiomtrlcacuya relaci6n CaIP=1,67, su
espectro IR da las bandas OH' a3.570 cm" muy aguda y del fosfato
apatitico a 1.000-1.100cm", ancha y su microestructura es
cristalina y organizada engrnulos grandes como corresponde a un
materialcermico.(vanse figuras 8 Y9)
Al someter el s6lido precipitado a una temperatura de 8000c,no
se logran propiedades cermicas, el producto es menosresistente y
puede acomodar agua y/o carbonato en su molculasegn lo aclaran los
espectros de las figuras 2 Y6. En ste casoel producto es ms soluble
(Kps lxlQ-6'M), comparable a unahidroxiapatita calciodeficiente
C~(HPO..>(P04)S OH, cuyarelaci6n CaIP es 1,50.
4. Ptnu!zA
De acuerdo al difractograma de la Figura lO, se puedeestablecer
la pureza del material obtenido en la sntesis 5. Lospicos
principales observados son caractersticos del cristal dela
hidroxiapatita, por lo que se identifica el producto como tal.Con
las sntesis 1 y 2, se observan picos de beta whithlockitaen una
proporci6n aproximada del 30%.
B.PATRONES
Se tomaron como patrones dos productos norteamericanosempleados
exitosamente en la clnica para la reconstrucci6nde defectos 6seos,
a los cuales se les analizaron las propiedadesfisicoqumicas de
composici6n, estructura y textura por losmtodos descritos en ste
estudio.
I2. En los espectros IR de las Figuras 11 Y 1 se aprecian
losgrupos presentes en la molcula Cas (OH)
(PO..>3:OH',O.P.O,P=O, destacndose en los tres productos el
estiramientoagudo a 3.570 cm" correspondiente al OH'y la banda
anchaa 1.000 cm" correspondiente al fosfato apatitico, indicandoque
la estructura qumica es igual en los tres productos.
Figura 11.Espectro IR de los productos control de USA:(HAI y
HA2)
3. La SEM permite observar en todos los casos una
unidadcristalina caracterstica de la hidroxiapatita, indicando que
sonproductos puros y equivalentes. (vanse figuras 12, 13, 14).
Figura 12. Microfotografia de barrido electrnico SEM
680X.30KV.del
Producto control HA l
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Sntesis y Anlisis de Hidroxiapatita63
4.De acuerdo a los resultados de estudio de estabilidadacelerada
pueden caracterizarse los tres productos como noreabsorbibles.
Figura 13. Microfotografia de barrido electrnico
SEM,680X,30KV,
producto control HA2
Figura 14.Microfotografa de barrido electrnico SEM, 680X.
30KV,de
hidroxiapatita no reabsorbible, sntesis 5
AGRADECIMIENTOS
El autor expresa sus agradecimientos al Dr. FabioCrdoba por su
valioso aporte en la investigacin qumicay al Dr. Luis Alberto
Campos por su generosacontribucin en la investigacin clnica del
producto.
CONCLUSIONES
De acuerdo con los anlisis fisicoqumicos realizados, elproducto
en estudio IMPLASTIC-HA:
1.Es HA pura.2. Posee propiedades fisicoqumicas que le permiten
serutilizado como material de implante seo.
3. Es equivalente a los productos de fabricacin
norteamericanausados como controles.
4. Con base en stos anlisis se puede inferir que el mtodo
desntesis empleado da lugar a un producto identificado como
hidroxiapatita pura , estequiomtrica y con propiedades
desuperficie y estructura idneas como material de implanteseo en
forma reabsorbilble o no reabsorbible.
BmUOGRAFA
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