Cementos Fosfato de Calcio

CEMENTOS DE

FOSFATO DE CALCIOClasificación, aplicaciones y Síntesis

José María Cruz OriaMaster de Ciencia y Tecnología de Nuevos Materiales. Curso 2016/2017

1

ÍNDICE• Definición de Cementos de Fosfato de Calcio• Clasificación• Hidroxiapatita• Relación entre propiedades, características y métodos de síntesis• Métodos de Síntesis de Hidroxiapatita. • Elección de métodos de síntesis a desarrollar.

• Método de Hidrólisis• Métodos Vía Seca• Método Sol-Gel

2

DEFINICIÓN• Polvo o mezcla de polvos que, al mezclarse con agua,

dan lugar a una pasta que reacciona a temperatura ambiente (o corporal) y fragua mediante la formación de un precipitado que contiene cristales de uno o más fosfatos de calcio, y endurece por el entrecruzamiento de los cristales de dicho precipitado. [1]

¿POR QUÉ SON INTERESANTES?• Permiten disponer de unos materiales totalmente

biocompatibles para el recubrimiento de componentes estructurales o el relleno de cavidades óseas a voluntad, endureciendo en el lugar de la aplicación. [2]

3

Clasificación Tipo

Por su fuenteNaturalesSintéticos

Por su rol Biológico

TóxicoBio-inerteBio-activo

Bio-reabsorbible

Por su tiempo de uso y funcionamientoTemporalesPermanentes

Por su composición

CerámicosPolímerosMetálicos

Compuestos

Por estructuraBulk

RecubrimientosPorosos

4

CLASIFICACIÓN DENTRO DE LOS MATERIALES BIOCOMPATIBLES

CEMENTOS DE FOSFATO DE CALCIO: COMPUESTOS

• En función de la relación Ca/P:Relación Ca/P Compuesto Acrónimo Fórmula

Química0,50 Calcio fosfato mono básico 1-hidrato MCPM Ca(H2PO4)·H2O

1,00 Hidrogeno fosfato de calcio o monetita DCPA CaHPO4

1,00 Hidrogeno fosfato de calcio dihidrato o brushita DCPD CaHPO4·2H2O

1,33 Octocalcio fosfato OCP Ca8H2(PO4)6·5H2O

1,50 Apatita calcio deficiente DCA Ca9H(PO4)6·(OH)

1,50 Tri-calcio fosfato-alfa α-TCP Ca3(PO4)2

1,50 Tri-calcio fosfato-beta β-TCP Ca3(PO4)2

1,67 Hidroxiapatita HA Ca10(PO4)6·(OH)2

2,00 Tetra-calcio fosfato TTCP Ca4(PO4)2O

[1] 5

CEMENTOS DE FOSFATO DE CALCIO: COMPUESTOS

• En función de la relación Ca/P:Relación Ca/P Compuesto Acrónimo Fórmula

Química0,50 Calcio fosfato mono básico 1-hidrato MCPM Ca(H2PO4)·H2O

1,00 Hidrogeno fosfato de calcio o monetita DCPA CaHPO4

1,00 Hidrogeno fosfato de calcio dihidrato o brushita DCPD CaHPO4·2H2O

1,33 Octocalcio fosfato OCP Ca8H2(PO4)6·5H2O

1,50 Apatita calcio deficiente DCA Ca9H(PO4)6·(OH)

1,50 Tri-calcio fosfato-alfa α-TCP Ca3(PO4)2

1,50 Tri-calcio fosfato-beta β-TCP Ca3(PO4)2

1,67 Hidroxiapatita HA Ca10(PO4)6·(OH)2

2,00 Tetra-calcio fosfato TTCP Ca4(PO4)2O

6[1]

HIDROXIAPATITA (HA)

• La HA es el principal componente inorgánico de los tejidos duros (huesos y dientes) tanto humanos como animales.

• La HA sintético muestra una alta biocompatibilidad y elevada osteointegración.

• Por ser el menos soluble de los CFC, en casi todo el rango de pH, presenta mejores cualidades para su uso como biomaterial.

7

Ca10(PO4)6·(OH)2

[2]

RELACIÓN MÉTODOS DE SÍNTESIS, CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES

Cuando se habla de polvos nano o micro, la morfología y dimensiones de las partículas son los factores más importantes

PropiedadesResistencia Mecánica

ToxicidadOsteointegrabilidadBiorestaurabilidad Síntesis

Vía SecaVía Húmeda

Alta TªDesde Ftes. BioCombinados

Características Morfología

EstequiometríaEstructura Cristalográfica

Pureza

[3]

MÉTODOS DE SÍNTESIS DE HAGrupo Método

Aspectos del Proceso Características del Polvo

Nº Reactivos Coste Morfología Cristalinidad Pureza fases Ca/P Ratio Tamaño Distribución de Tamaño

SECOSEstado Sólido Pocos Bajo Diversa Muy alta N. Baja Vble. N. 𝜇m Ancho

Mecanoquímico Pocos Bajo Diversa Muy Alta Baja N. No Estequio nm N. Ancho

HÚMEDOS

Pptción. Quím. F. Pocos Bajo Diversa F. Baja Vble. No Estequio N. nm Vble.Hidrólisis Pocos N. Alto Diversa Vble. N. Alta Estequio Vble. Vble.Sol-Gel Vble. Vble. Diversa Vble. Vble. Estequio nm Estrecho

Hidrotermal Vble. N. Alto F. Agujas Muy Alta N. Alta Estequio 𝜇m y nm N. AnchoEmulsión Varios Alto F. Agujas F. Baja Vble. No Estequio nm Estrecho

Sonoquímico Pocos N. Bajo Diversa (N. Agujas) Vble. N. Alta Vble. nm N. Estrecho

ALTA TªCombustión Pocos N. Bajo Diversa

(N. Irregular) Vble. N. Alta Vble. N. nm Ancho

Pirólisis Vble. N. Bajo Diversa Alto Vble. No Estequio nm aglom Vble.Síntesis desde fuentes Biogénicas Pocos N. Bajo Diversa Vble. N. Alta Vble. Vble. Vble.

Procedimientos combinados Vble. Vble. Diversa (F. Agujas) F. Alta N. Alta No Estequio N. nm Vble.

F. = Frecuentemente N. = Normalmente

9[3]

FORMAS DE LAS PARTÍCULAS EN FUNCIÓN DEL MÉTODO DE SÍNTESIS

10

Formas

Nombreirregular, formless, sphere

sphere, ball

rod, needle, tube, filament,

fiber, wire, whisker, prism,

worm, hexagonal

plate, flake, sheet

self-assembled nanorods, bundles of nanorods, oriented bundle,

oriented raft, enamel prism-like structures,

clusters ofnanotubes,

oriented array of bundled

needles, packed nanorods

dandelion, chrysanthemu

m, flower, feathery structure, bundle of

fibers, selfassembled,

nanorods, rosette

leaf, flake, sheet, plate flower

porous microsphere, mesoporous

sphere

bowknot, self-assembled nanorods

dumbbell

Método de

Síntesis

ss, mch, cc, hl, sg, hth,

em,sch, ht, bs,

cp

mch, cc, sg, hth, em,

sch, ht, bs, cp

ss, mch, cc, hl, sg, hth,

em,sch, ht, bs,

cp

cc, hth, bs, cp

cc, hl, hth, bs, cp

hth, em, bs, cp cc, hl, cp cc, hth, bs hth, cp cp cc

* ss: solid-state synthesis, mch: mechanochemical method, cc: conventional chemical precipitation, hl: hydrolysis method, sg: sol–gel method,hth: hydrothermal method, em: emulsion method, sch: sonochemical method, ht: high-temperature processes, bs: synthesis from biogenicsources, cp: combination procedures.

[3]

ELECCIÓN DE LOS MÉTODOS DE SÍNTESIS

11[3]

ELECCIÓN DE LOS MÉTODOS DE SÍNTESIS

12

• Se desarrollarán los siguientes métodos de síntesis:

• Método Hidrólisis

• Método en estado sólido

• Método Sol-Gel

[3]

SÍNTESIS DE HAMÉTODOS DE HIDRÓLISIS

13

• Rutas sintéticas posibles:

• 10 DCPA + 2H2O ➔ HA + 4H3PO4

• 10 DCPA + 12OH- ➔ HA + 4PO4

3- +10H2O

• 6 DCPA + 4Ca(OH)2 ➔ HA + 6H2O• 6 DCPA + 4CaCO3 + H2O ➔ HA 4H2CO3

• 10 DCPD ➔ HA +18H2O +12H+ + 4PO4

3-

• 6 DCPD + 4Ca(OH)2 ➔ HA +18H2O• 10 TCP + 6H2O ➔ 3HA +2PO3?4 + 6H

+

• 10 TCP + 6OH ➔ 3HA + 2PO43-

• En orden de basicidad: H3P04 < MCPM < DCP = DCPD < OCP < 𝛼-TCP = β-TCP = CDHA < PHA = HA < TTCP < CaO

Las estabilidades relativas entre las distintas sales serán la fuerza motriz de las posibles reacciones químicas[3] [2] [4]

SÍNTESIS DE HAMÉTODO DE HIDRÓLISIS

• Procedimiento:

• Hidrólisis directa con agitación a distintas temperaturas y tiempos

• Relación líquido:sólido 50:1

• Extracción de alícuotas,

• Filtrados con papel y secado

• Reacciones:

OCP+ 3TCP ➔ 2HA + 4H20

[4]


[4]

• Productos obtenidos:• HA en forma de agujas y glóbulos• Alta pureza• Alta cristalinidad

• Caracterización:

DRX, SEM

• Parámetros a controlar • Concentración de Ca2+

• Temperatura de la hidrólisis.

• pH. valores elevados mejoran la cinética y mejoran el control de la morfología.

• Cristalinidad de los productos de partida. Más cristalinidad implica menos reactividad.

• Superficie específica.


16[4]

SÍNTESIS DE HA MÉTODOS VÍA SECA

• Rutas sintéticas posibles:• 6DCPD + 4CaCO3 ➔ HA+ 4CO2 + 14H2O

• 6DCPA + 4CaCO3 ➔ HA + 4CO2 + 2H2O

• 6DCPA + 4Ca(OH)2 ➔ HA+ 6H2O

• 3TCP + Ca(OH)2 ➔ HA+ 6H2O

• Partiendo de varios CFC ➔ HA

17[5]


• Procedimiento:• Mezcla en crisol guardando una relación Ca/P 1,61.• Molienda húmeda (HF) en molino de bolas durante 16h.• Secado a 80ºC durante 3h. • Compactado de los polvos obtenidos usando distintas presiones y tiempos (forma

cilíndrica) a Tª ambiente• Sinterizado en aire a distintas temperaturas (500ºC, 800ºC y 1250ºC)• Remolido del sintetizado• Compactado y Sinterizado de nuevo a 1250 ºC

18

Ruta de Síntesis:

Varios CFC + (SiO2) ➔ α-TCP ➔ HA

[5]

• Caracterización del sintetizado:• DRX, TGA, DTA, FTIR, SEM, Resistencias mecánicas,

Biocompatibilidad in vitro.


• Observaciones experimentales TGA/DTA• Transiciones de fases a 380, 600 y 1063 ºC

• Fases encontradas en DRX:• Muestra mezclada y molida sin sinterizar : DCPA y DCHA • Sinterizado a 500ºC - β-Ca2P2O7 y DCHA• Sinterizado a 800ºC - β-TCP y β-Ca2P2O7• Sinterizado a 1250ªC - α-TCP• Remolido y sinterizado a 1250ºC: β-TCP

• Observaciones experimentales SEM:• CaO libre tras la primera sinterización

[5]

• Productos obtenidos:• β-TCP/HA con una relación Ca/P de 1,61 • Resistencias a compresión máximas de ～270MPa

• Módulo de Young máximo de ～20GPa

• Granos de 7-8 𝜇m bien conectados • Porosidad del ～42%


20[5]

• Parámetros de Control:• Presión de compactado en frío (de 46 a 135 MPa). Mayor

presión de compactado ofrece mayor resistencia a compresión• Temperatura y tiempo de sinterización.

Mejorando la cristalinidad y la pureza• Mezclado, Molienda

SÍNTESIS DE HAMÉTODOS SOL-GEL

• Rutas sintéticas posibles:• Fuentes de Ca: Ca(OEt)2, Ca-acetato, Ca(NO3)2, …• Fuentes de P: P(OEt)3, (NH4)HPO4, P2O5, …

• Solventes: H2O, EtOH, …

21[6]

• Procedimiento:• P2O5 disuelto en Etanol• Ca(NO3)2·4H2O en Etanol. • Relación Ca/P de 1,67• Mezcla durante 10 minutos a Tª ambiente• Calentamiento de la disolución a 60ºC durante 1 hora.• Envejecido a 4, 48 y 72 horas• Secado a 80ºC durante 24h• Calentamiento a distintas temperaturas (dede 600 a 900ºC)

22


Ruta de Síntesis:6Ca(NO3)2 + 6(C2H5O)3P(O) ➔ HA + (subproductos)

[6]

• Caracterización del Sinterizado:

• DRX, TEM

• Productos obtenidos:

• HA (obtenido a 700ºC)

• HA, β-TCP y CaO (obtenido por encima de 700ºC)

• Partículas entre 10 y 80 nm, en función del tiempo de envejecimiento, con forma de elipse.

23


[6]

• Temperatura de sinterización:

• Reacciones de descomposición de la HA por encima de 800ºC. Temperaturas altas empeoran la pureza de la fase HA

• Mayor grado de cristalinidad a mayor Tª.

24


• Parámetros de Control:

• Tiempo de envejecimiento

• a 700ºC, se obtiene sólo HA• a 800ºC, se obtienen otras fases• Leve mejora en la pureza al aumentar los

tiempos de envejecimiento• Aumento del tamaño de las partíaulas

• Rampa de Tª en la sinterización• Tª de envejecimiento

[6]

BIBLIOGRAFÍA• [1] Driessens, F.C.M. et al. No publicado. “Desarrollo de nuevos cementos óseos a base de fosfato de calcio:

resumen de un estudio piloto” • [2] Villora, J.M., Callejas, P. & Barba, M.F., Cerámica y Vidrio Métodos de síntesis y comportamiento térmico del

Hidroxiapatito.• [3] Sadat-Shojai, M. et al., 2013. Synthesis methods for nanosized hydroxyapatite with diverse structures. Acta

Biomaterialia, 9(8), pp.7591–7621. Available at: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1742706113001840 [Accessed January 28, 2017].

• [4] Graham, S. & Brown, P.W., 1996. Reactions of octacalcium phosphate to form hydroxyapatite. Journal of Crystal Growth, 165(1), pp.106–115.

• [5] Pramanik, S. et al., 2007. Development of high strength hydroxyapatite by solid-state-sintering process. Ceramics International, 33(3), pp.419–426.

• [6] Feng, W. et al., 2005. A simple sol–gel technique for preparing hydroxyapatite nanopowders. Materials Letters, 59(8–9), pp.916–919. Available at: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0167577X04009097 [Accessed February 4, 2017].

• [7] Cama, G., 2014. 1 - Calcium phosphate cements for bone regeneration,• [8] Fernández Aguado, E., 2008. Obtención y caracterización de nuevos cementos óseos de fosfatos de calcio

en el sistema CaHPO4--- -Ca3 (PO4)2. TDX (Tesis Doctorals en Xarxa), 1.

25

GRACIAS

26

Cementos Fosfato de Calcio

Science

Transcript of Cementos Fosfato de Calcio