Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad

PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 1 Resumen Los cementos de fosfato de calcio son materiales muy utilizados para aplicaciones biomédicas en el relleno de cavidades óseas. Están compuestos por una fase sólida en forma de polvo y un líquido que al mezclarlos forman una pasta que endurece en minutos. A pesar de los más de 30 años de su uso hay aspectos fundamentales que faltan por estudiar. Uno de ellos es ver cómo afecta la humedad ambiente a la hidratación del polvo y su posterior reactividad. Este ha sido el objetivo del trabajo. Este trabajo se ha divido en dos bloques: primero se realizaron medidas de tiempos de fraguado como prueba de la capacidad reacción del cemento en función de la humedad de la fase sólida y el segundo estudio se centró en la cinética de hidratación del polvo (fosfato tricálcico alfa, α-TCP) a diferentes humedades. Las humedades relativas de trabajo fueron de ~20, 40, 80 y 100%. Se reveló que a humedades cada vez más elevadas el cemento requiere más tiempo para fraguar. Respecto a los resultados de hidratación del polvo se observó que cuanto más elevada era la humedad más se hidrataba el polvo. Sin embargo se observaron dos comportamientos diferentes: el polvo hidratado por debajo del 90% de humedad en menos de dos días se satura de moléculas de agua pero el hidratado al 100% de humedad relativa tarda 13 días para saturarse. Los resultados por rayos X y los ensayos de DSC del polvo de origen muestran que el polvo de α-TCP contiene un 25 % de fase amorfa. Este porcentaje de fase amorfa, observada por DSC, se mantiene constante en todos los polvos hidratados por debajo del 85% pero disminuye progresivamente con el polvo hidratado al 100% de humedad hasta consumirse del todo al cabo de 13 días de hidratación. Los resultados obtenidos parecen indicar que la fase amorfa en el polvo hidratado al 100% transforma a hidroxiapatita (desaparición del pico por DSC) mientras que para los polvos hidratados por debajo del 90% sólo la superficie del material llega a reaccionar. Pág. 2 Memoria PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 3 Índice RESUMEN _________________________________________________________ 1 ÍNDICE ____________________________________________________________ 3 1. GLOSARIO ____________________________________________________ 5 2. INTRODUCCIÓN _________________________________________________ 9 3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ________________________________________ 11 3.1. Generalidades sobre el hueso ............................................................................... 11 3.1.1. Funciones óseas ............................................................................................. 11 3.1.2. Tipos de huesos .............................................................................................. 14 3.1.3. Composición ................................................................................................... 16 3.1.4. Estructura ........................................................................................................ 19 3.1.5. Remodelado óseo y consolidación espontánea de fracturas .......................... 20 3.1.6. Reconstrucción de los defectos óseos ............................................................ 22 3.2. Generalidades sobre los biomateriales .................................................................. 23 3.2.1. Clasificación .................................................................................................... 23 3.2.2. Biomateriales cerámicos ................................................................................. 24 3.2.3. Materiales bioactivos ....................................................................................... 25 3.3. Los fosfatos de calcio para la regeneración ósea .................................................. 27 3.3.1. Fosfatos de calcio, CaP .................................................................................. 27 3.3.2. Cementos de Fosfato de calcio, CPC ............................................................. 31 4. MATERIALES Y MÉTODOS _________________________________________ 39 4.1. Preparación de los cementos ................................................................................. 39 4.1.1. Preparación de la fase líquida ......................................................................... 39 4.1.2. Preparación de la fase líquida ......................................................................... 43 4.1.3. Elaboración del cemento ................................................................................. 43 4.2. Estudio del efecto de la humedad relativa en la preparación de un cemento……44 4.2.1. Preparación de atmósferas con humedad controlada ..................................... 44 4.2.2. Efecto de la humedad relativa en la hidratación del polvo de α-TCP .............. 45 4.2.3. Efecto de la humedad relativa en la reacción de fraguado de un cemento ..... 48 4.3. Técnicas de caracterización ................................................................................... 50 4.3.1. Difracción de rayos X (DRX) y método de Rietveld ......................................... 50 4.3.2. Microscopio electrónico de barrido (MEB) ....................................................... 52 4.3.3. Espectroscopia de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR) ................. 53 4.3.4. Calorimetría diferencial de barrido (DSC) ....................................................... 54 Pág. 4 Memoria 5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ________________________________________ 56 5.1. Control de humedad ............................................................................................... 56 5.1.1. Control humedad: En recipientes ..................................................................... 56 5.1.2. Control humedad: En la cámara ...................................................................... 59 5.2. Estudio de la humedad relativa en la preparación de un cemento .......................... 60 5.2.1. Efecto de la humedad relativa en la reacción de fraguado de un cemento ...... 60 5.2.2. Estudio de la cinética de hidratación del polvo de α-TCP ................................ 64 5.2.3. Caracterización del polvo de α-TCP a diferentes humedades relativas ........... 67 6. CONCLUSIONES ________________________________________________ 86 7. TRABAJOS FUTUROS _____________________________________________ 88 8. COSTES E IMPACTO AMBIENTAL DEL PROYECTO _________________________ 89 8.1. Costes del proyecto ................................................................................................ 89 8.2. Impacto ambiental ................................................................................................... 91 AGRADECIMIENTOS __________________________________________________ 93 BIBLIOGRAFÍA ______________________________________________________ 95 PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 5 1. Glosario α-TCP : Fase cristalográfica α del fosfato de calcio tricálcico y estable por encima de 1180°C, cuya fórmula química es Ca3(PO4)2 β-TCP : Fase cristalográfica β del fosfato de calcio tricálcico y estable entre 900 y 1100°C, cuya fórmula química es Ca3(PO4)2 Agujas de Gilmore: Aparato que se componen de dos agujas con peso diferente, que sirve para medir los tiempos de fraguado iniciales y finales de los cementos. Bioactividad: Capacidad de un material de formar un enlace químico directo con el hueso circundante, sin formación de una capa fibrosa interpuesta entre el material y el hueso. Biocompatibilidad: Capacidad de un material para llevar a cabo sus prestaciones con una respuesta apropiada del huésped en una situación específica, sin respuesta inflamatoria aguda o crónica durante su implantación e incorporación. Biomaterial: Material de sustancia natural o sintética, o combinación de sustancias, del que se pretende que actúe interfacialmente con sistemas biológicos con la finalidad de evaluar, tratar, aumentar o substituir algún tejido, órgano o función del organismo. CaP: Fosfato de calcio. Cemento: Conglomerado que resulta de la reacción de una fase sólida en forma de polvo con una fase líquida con capacidad de fraguar y endurecer por reacciones de hidrólisis o ácido-base. CDHA: Hidroxiapatita deficiente en calcio, cuya fórmula química es Ca10−x(HPO4)x(PO4)6−x(OH)2−x CPC: Cemento de fosfato de calcio. Endurecimiento: Consolidación, aumento de la dureza y de la resistencia mecánica hasta obtener una consistencia sólida. Fraguado: Transformación de la pasta del cemento que implica una pérdida de plasticidad; no se recupera (o parcialmente) la plasticidad si la estructura se mezcla con agua o si se manipula nuevamente. HA: Hidroxiapatita, cuya fórmula química es Ca10(PO4)6(OH)2 Pág. 6 Memoria In vivo: Se refiere a experimentos realizados en seres vivos. Osteoconductividad: Propiedad de un material para actuar de soporte guiando el crecimiento óseo, por medio de la invasión vascular y celular proveniente del tejido óseo vivo del receptor. Osteogénesis: Desarrollo y formación de tejido óseo a partir de células osteoformadoras como los osteoblastos. Osteoinducción: Capacidad de un material para promover la diferenciación celular hacia la síntesis de matriz ósea mineralizada. PHA: Hidroxiapatita precipitada cuya fórmula química es Ca10−x(HPO4)x(PO4)6−x(OH)2−x con una relación Ca/P de 1,67 para la PHA estequiométrica. Polvo SF: Polvo de α-TCP Superfino (Superfine). Polvo de origen: Polvo de α-TCP con 2% en peso de PHA que proviene directamente de la molienda (sin deshidratar y después hidratado a varias humedades) Relación L/P: Relación entre la cantidad de líquido y la cantidad de polvo añadido en la preparación del cemento (volumen de fase líquida dividido por la masa de polvo, en mL/g) Relación Ca/P: Relación entre la cantidad de átomos de calcio y de átomos de fosfato en un compuesto de fosfato de calcio. Reabsorción o resorción: Capacidad que tiene un biomaterial a degradarse ya sea por vía química o biológica. Regeneración: Restitución progresiva del biomaterial por el tejido óseo. HR: Humedad Relativa que corresponde a la humedad teórica del medio de trabajo y que está inducida por las soluciones acuosas saturadas de sales. Tejido conectivo: Material constituido por un conjunto de células iguales o poco diferentes que se diferencian para especializarse, y que se organizan de manera regular; tienen también un comportamiento coordinado y un origen embrionario común. GLOSARIO DE LAS TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN UTILIZADAS: DSC: CALORIMETRÍA de barrido diferencial o Differential Scanning Calorimetry DRX: Difracción de rayos X PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 7 FTIR: Espectroscopia de infrarrojos por transformada de Fourier (Fourier Transform Infrayed Spectroscopy) MEB: Microscopio electrónico de barrido o SEM: Scanning Electron Microscopy Método de Rietveld : Método de cuantificacion de fase amorfa de un material y basada en la difracción de rayos X. TGA: Termogravimetría o Thermal Gravimetric Analysis Pág. 8 Memoria PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 9 2. Introducción Estos últimos treinta años se han investigado y desarrollado un tipo de sustituto óseos para el relleno de cavidades que son los cementos de fosfato de calcio (CPC) y que resultan del fraguado de la mezcla de una fase sólida en forma de polvo y de una fase líquida acuosa. Sus propiedades únicas tales como su inyectabilidad junto una buena biocompatibilidad y bioactividad, así como una capacidad de endurecer en el lugar de aplicación prueban el elevado interés de estos a nivel de regeneración ósea. La reactividad de la fase sólida sigue siendo un parámetro determinante en el fraguado del cemento y por lo tanto es muy importante poderlo estudiar a fin de mejorar las propiedades de estos materiales. Aunque existen varios trabajos que abordan el tema de la reactividad estudiando el efecto del tamaño de grano de la fase sólida o de la composición de la fase líquida, parámetros como la temperatura o de la humedad ambiente en la elaboración de cementos, todavía no ha sido investigado. Por lo tanto este proyecto se centra en el estudio de la influencia de la humedad ambiente en la reactividad de cementos de fosfato de calcio tricálcico alfa (α-TCP); se tratará de hidratar la fase sólida a diferentes humedades y evaluar la reactividad del cemento por su velocidad de fraguado; se llevará a cabo también a una caracterización completa del polvo de α-TCP hidratado a diferentes humedades relativas en un rango de tiempo determinado. Pág. 16 Memoria 3.1.3. Composición El hueso está compuesto por diferentes fases y elementos que se recogen en la figura 3.4: Los porcentajes indicados son en peso y sus valores son aproximados. Está formado por una fase orgánica donde 95% son fibras de colágeno, principalmente de tipo I, que dan flexibilidad y resistencia a la tensión, y por una fase mineral siendo el 95% apatita biológica (Hidroxiapatita deficiente en calcio o CDHA con sustituciones iónicas), que da rigidez y resistencia a compresión y cizalladura [3, 13]. La fase orgánica contiene además un 2% de células que permiten la formación y la regeneración ósea. Se pueden destacar cuatro tipos de células que componen el hueso, donde cada una cumple un papel específico, y cuya organización en el hueso se representa en la figura 3.5: Figura 3.4: Composición general del hueso con porcentajes en peso [11,12] PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 17 Las células osteoprogenitoras: Son células especializadas que derivan del mesénquima. Pueden sufrir mitosis y diferenciarse a osteoblastos [7]. Pero su capacidad a diferenciarse depende de factores específicos: - Si la presión parcial de oxigeno es alta, se diferenciarán en osteoblastos - Si la presión parcial de oxigeno es baja, se desarrollarán células condrogenas Los osteoblastos: Son células formadoras de la matriz ósea. Son responsables más particularmente de sintetizar la parte orgánica (colágeno y glucoproteínas), y de su mineralización (deposición de hidroxiapatita sobre el colágeno) y de los osteoides. Esto sucede no sólo cuando se empieza a formar el hueso, sino también en procesos de remodelado y reparación de hueso ya formado. Se disponen siempre en la superficie del hueso y no tienen capacidad a dividirse [7,14]. Los osteocitos: Son las células maduras del hueso derivadas de los osteoblastos y son las células principales del tejido óseo. Un cierto número de osteoblastos quedan atrapados en los osteoides, pasando a ser osteocitos. Éstos no secretan materiales de la matriz sino que Figura 3.5: Distribución de la células óseas [11] Pág. 18 Memoria mantienen las actividades cotidianas del tejido óseo como son el intercambio de la sangre de elementos nutritivos y desechos [7]. Los osteocitos mantienen enlaces con osteoblastos e otros osteocitos gracias a canales muy finos dentro de la matriz ósea, llamados canalículos, que permiten el intercambio de informaciones (iónes, sangre etc…) [15,16]. Los osteoclastos: Se desarrollan a partir de los monocitos y su función es destruir el tejido óseo (resorción ósea). Se caracterizan por sus grandes dimensiones (10-100 µm de diámetro) y sus núcleos numerosos (entre 3 y 10)[17]. Los osteoclastos secretan ácido y otras enzimas que atacan a la matriz y disolviendo la hidroxyapatita. También participan en la eliminación de los restos del tejido óseo que se forman durante la reabsorción del hueso. La resistencia y el tamaño de los huesos depende de la actividad comparativa de los huesos, es decir, del balance depósito óseo - resorción ósea [7]. La fase mineral del hueso contiene una gran cantidad de pequeños cristales de hidroxiapatita, cuya fórmula química general es la siguiente [18]: Ca10−x(HPO4)x(PO4)6−x(OH)2−x Con 0 < x < 1 - x = 0 corresponde a una hidroxiapatita estequiométrica (no biológica, que no se encuentran en el hueso). - 0 < x ≤ 1corresponde al rango de hidroxiapatitas deficientes en calcio (CDHA) La CDHA tiene varias características [19]: - Baja cristalinidad (250-500 × 30 Å ) - Superficie específica elevada - Estructura cristalina distorsionada - Presencia de varias especies iónicas en su estructura: grupos hidrogenofosfato (HPO4) y carbonato (CO32-) y presencia de iones como el Mg2+, Na+, K+ etc… - Hidroxiapatita no estequiométrica : hay grupos HPO4 y iones Mg2+, Na+, K+ etc… (que hacen la estructura distorsionada) PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 19 La deficiencia en calcio y el hecho que la estructura de la hidroxiapatita sea una estructura muy abierta es lo que explica la presencia de las especies iónicas anteriores [18]. La incorporación de estos iones tiene un gran efecto en las propiedades físico-químicas de la apatita resultante, por ejemplo en su solubilidad. 3.1.4. Estructura El hueso está organizado a diferentes niveles, lo que de hecho implica una estructura jerárquica, hasta la escala nanométrica. En esta seccción se pretende exponer los diferentes componentes que pertenecen a cada nivel de estructura del hueso como lo expone la figura 3.6: A nivel macroscópico: Al nivel macroscópico existen los dos tipos de hueso desarrollados anteriormente: el hueso trabecular y el hueso cortical, que difieren sobre todo en la cantidad de porosidad y en sus estructuras propias. A nivel microscópico y sub microscópico: Al nivel microscópico, la unidad estructural fundamental es la osteona, y al nivel sub microscópico, la unidad es la lamela. Figura 3.6: Estructura jerárquica del hueso [20] Pág. 20 Memoria A nivel nanoscópico y sub nanoscópico : El hueso a nivel nanoscópico consiste en fibras de colágeno de tipo I (90%) y de tipo V (5%) que componen el 95% de la matriz extracelular de la fase orgánica. Estas fibras se agrupan formando las moléculas de tropocolágeno que son moléculas largas y rígidas, de 300 nm de longitud y 1,5 nm de ancho. Estas mismas moléculas están formadas por tres cadenas polipéptidas alfa de alrededor de 1000 amino ácidos de longitud, que están dispuestas en triple hélice [21,22]. Se considera el hueso como un material nanocompuesto ya que cristales de hidroxiapatita que se disponen entre las fibras de colágeno tienen un tamaño medio de 40-60 nm de longitud y de 20 nm de ancho [23]. 3.1.5. Remodelado óseo y consolidación espontánea de fracturas El hueso no es una estructura estática, sino todo lo contrario, pues se encuentra en un constante proceso de renovación durante el cual la formación y destrucción ósea se desarrollan sin interrupción a lo largo de la vida de un individuo. Cinco fases tienen lugar en el proceso de remodelación ósea: el reposo, la activación, la reabsorción, la reversión y la formación tal como se muestra en la figura 3.7. En la fase de reposo las células de recubrimiento protegen la superficie del hueso y esta etapa representa normalmente más del 80% de la superficie ósea. Figura 3.7: Etapas de la remodelación ósea [24] PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 21 La activación consiste en la liberación de señales físicas y bioquímicas que atraen monocitos y macrófagos al sitio a remodelar. En ese lugar se lleva a cabo la diferenciación hacia osteoclastos [24]. Luego tiene lugar la reabsorción; los osteoclastos liberan iones H+, bajando el pH del medio local que provoca la disolución de los cristales de hidroxiapatita, y otros componentes orgánicos; de ese modo crean cavidades y depresiones en el hueso, llamadas “lagunas de Howship”[25,26]. En la fase de reversión, los osteoclastos mueren por apoptosis permitiendo que las células macrófagas liberen los factores de crecimiento contenidos en la matriz ósea. Estos factores atraen a los osteoblastos. Durante la etapa de formación, los osteoblastos rellenan la cavidad con matriz ósea, que posteriormente mineralizaran para formar nuevas osteonas. Cuando esta fase culmina la superficie ósea, regresa al estado de reposo [24]. Se considera que se renueva alrededor de un 3% de hueso cortical y 25% de hueso trabecular cada año [27]. El hueso esponjoso tiene 20 veces más de superficie por unidad de volumen que el cortical lo que facilita su remodelación [7]. El hueso, además de tener la capacidad de remodelarse, posee también la capacidad de consolidar fracturas de manera espontánea, siempre y cuando estas no sean superiores a un tamaño crítico. Una fractura se define como la pérdida de continuidad en la sustancia de un hueso, con la consiguiente pérdida de la función mecánica del mismo [7,8]. La consolidación espontánea implica varias etapas así como para el remodelado óseo (ver figura 3.8): la inflamación, la reparación y la remodelación. Figura 3.8: Etapas de la consolidación espontánea de fracturas Pág. 22 Memoria En la etapa de inflamación el flujo de sangre va hacia el sitio de la lesión y se forma un hematoma en el sitio de los vasos sanguíneos dañados. La coagulación se activa con la llegada de macrófagos y neutrófilos que fagocitan los desechos acelulares de la necrosis y secretan factores de crecimiento. La inflamación es la etapa más corta del proceso de consolidación. La reparación consiste la actividad osteoblástica para depositar osteoide en el sitio de la lesión, que desde ese momento se denomina callo de fractura. La reparación va hasta la mineralización total del callo de fractura para formar hueso fibrilar. La última y la etapa más larga de la consolidación que es la remodelación consiste en la reorganización gradual de las fibras de colágeno para formar hueso laminar, con las fases orgánica y mineral mejor alineadas para resistir las tensiones locales. La consolidación total de una fractura, aunque dependa del tipo de fractura, las características del paciente, el tipo de tratamiento etc, se puede decir de manera general que tarda alrededor de un año para un hueso largo recuperar totalmente sus propiedades anteriores[8,24]. 3.1.6. Reconstrucción de los defectos óseos Cuando el hueso ha sufrido una o varias lesiones demasiado intensas (lesiones con tamaño superior al crítico) pierden la capacidad de remodelarse y consolidarse de manera natural, necesitando la incorporaracion de subsitutos biológicos o sintéticos [28]. Existen tres tipos de injertos utilizados para la reconstrucción ósea: - El autoinjerto, que es un trasplante de una parte de tejido removido de un sitio al otro del mismo individuo[29]. Tejidos autólogos dan propiedades osteogénicas, osteoconductivas así como osteoinductivas al nuevo hueso. Algunos problemas surgen de estos tipos de injertos como la necesidad de una cirugía adicional y del tiempo de recuperación del paciente [30]. - El aloinjerto, que es un trasplante de tejido entre dos individuos genéticamente diferentes de la misma especie. El problema de este tipo de injerto es la antigenicidad y la transmisión de enfermedades, ya que provienen generalmente de cadáveres [29,30]. PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 23 - El xenoinjerto, que es un transplante de animal que colocamos en el cuerpo humano y el hueso animal es no tóxico para los osteoblastos [31,32]. 3.2. Generalidades sobre los biomateriales El término de biomaterial se usa para designar “aquellos materiales extraños de origen natural o artificial que se implantan a un organismo vivo con la finalidad de restaurar morfológicamente y funcionalmente tejidos u órganos alterados por traumatismos, malformaciones o enfermedades degenerativas” [33]. El biomaterial ideal debería ser un material no tóxico, osteoconductivo, osteoinductivo, biocompatible, bioactivo y reabsorbible [20]. A continuación expondremos los tipos de clasificación posibles de los biomateriales, para luego concentrarnos en las cerámicas, más particularmente en las características y el uso de las cerámicas bioactivas, que forman parte del estudio de este proyecto. 3.2.1. Clasificación Se pueden clasificar los biomateriales de diferentes maneras, por ejemplo en función de su composición, o por su interacción con el tejido óseo. En cuanto a la composición, se clasifican los materiales entre metales, polímeros, cerámicos, y compuestos [34]. Estos mismos materiales a su vez se pueden subdividir en tres categorías según sea su interacción con el cuerpo humano, constituyendo los materiales inertes, reabsorbibles y bioactivos, cuya clasificación está representada en la tabla 3.3. Pág. 24 Memoria 3.2.2. Biomateriales cerámicos Las cerámicas son materiales inorgánicos no metálicos con alto punto de fusión y alta rigidez con un alto módulo de elasticidad. Son muy resistentes a compresión y poco a tracción, y también tienen un una fragilidad elevada. Dentro de los biomateriales cerámicos existen también cerámicos inertes, bioactivos y reabsorbibles tal y como se muestra en la tabla 3.4. Inertes Reabsorbibles - Bioactivos Superificies bioactivas Al2O3 ZrO2 TiO2 … αTCP, β-TCP, TTCP, DCPD, DCPA, DCP, OHAp (hidroxiapatita de baja critalinidad) Vidrios bioactivos Vitrocerámicas bioactivas OHAp sinterizada Tipo de biomaterial Reacción del tejido Ejemplos Inertes No interacción entre el tejido y el implante, formació de una capa fibrosa entre hueso-material Al2O3, ZrO2, titanio y aceros inoxidables Bioactivos Enlace directo entre el tejido óseo y el implante, sin formación de capa fibrosa entre los dos Hidroxiapatita, Bioglass® y vidrios Reabsorbibles Degradación química, reabsorción de forma controlada del material mientras es reemplazado por tejido óseo Sales de fosfato de calcico y copolímeros acidos Tabla 3.3: Clasificación de los biomateriales según sus interacciones con el cuerpo humano [35,36] Tabla 3.4: Clasificación de los biomateriales cerámicos según sus interacciones con el cuerpo humano [37] PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 25 Las cerámicas casi inertes o estables, que tienen la ventaja de ser biocompatibles con el tejido óseo, pueden ser utilizadas sea en forma densa sea porosa, para facilitar el crecimiento óseo entre los poros del implante, lo que confiere una fijación mecánica del mismo. La alúmina Al2O3 fue la primera cerámica usada extensamente en la práctica clínica [8]. Su alta dureza, de entre 20 y 30 GPa, y su resistencia a la corrosión, junto con sus excelentes propiedades de baja fricción y bajo desgaste por adhesión y abrasión hacen de éste un material idóneo para pares de fricción articulares en las prótesis de cadera, a pesar de su fragilidad y de las dificultades de fabricación[37,38]. Su alta resistencia mecánica se aprovecha también para implantes dentales. Además el número de partículas que pudiera desintegrarse del material es mínimo, y las partículas resultantes no son tóxicas [37]. El interés del uso de las cerámicas de circona como biomaterial radica en su alta estabilidad química y dimensional, su excelente resistencia mecánica y tenacidad a la fractura y el valor del módulo de Young del mismo orden de magnitud que las aleaciones de acero inoxidable. Hasta el presente la aplicación biomédica más importante de estos materiales ha sido en la fabricación de las cabezas femorales que componen las prótesis ortopédicas empleadas en las reconstrucciones totales de cadera [38]. Una gran desventaja de la circona es su tendencia a degradarse en medios acuosos, debido a una transformación cristalina del estado tetragonal a monoclínico por reacción de la circona y de los iones OH- en la superficie del material. Luego estos iones difunden en volumen, induciendo macro y micro grietas, lo que afecta las propiedades mecánicas [39]. 3.2.3. Materiales bioactivos Los materiales bioactivos presentan una característica común en la interface con el hueso después de su integración. Por ejemplo, el Bioglass, la HA y la vitrocerámica A-W, revelan una capa de apatita en la interface que es mediadora en la integración con el hueso. 3.2.3.1. Vidrios bioactivos Los vidrios bioactivos tienen varias composiciones, como lo recapitula la tabla 3.5. Pág. 32 Memoria - Una fase sólida, compuesta por uno o varios fosfatos de calcio - Una fase líquida, generalmente agua o soluciones acuosas Al mezclarse las dos fases producen una pasta, que como consecuencia de una reacción química, que se lleva a cabo a temperatura ambiente o fisiológica, fragua y endurece para formar un cuerpo sólido microporoso. La consolidación de la pieza se consigue por el fraguado, más específicamente por el entrecruzamiento de cristales generados por un proceso de disolución/precipitación [24,49]. En la figura 3.10 están representadas las diferentes etapas de formación de un cemento de fosfato de calcio. A pesar de la gran cantidad de formulaciones existentes de CPC, sólo se diferencian tres productos finales [5]: - La hidroxiapatita precipitada PHA - La brushita DCPD - Los fosfatos de calcio amorfos ACP El estudio de los ACP muestra que se convierten rápidamente en PHA, así que la clasificación de los productos se reducen a [5]: Figura 3.10: Representación de la formación de un cemento de fosfato de calcio PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 33 - La hidroxiapatita precipitada PHA (Ca10(P04)6(OH)2), estable a pH>4,2 - La brushita DCPD (CaHPO4.2H2O), estable a pH<4,2 Aunque ambos tipos de cementos se utilizan en la reparación del hueso, los cementos de brushita tienen gran interés por su elevada resorbabilidad mientras que los cementos apatíticos por su similitud química y estructural a la fase mineral del hueso. Los cementos de apatita pueden formar PHA o CDHA mediante una reacción de precipitación, y se pueden clasificar en tres grupos, teniendo en cuenta el número y los tipos de fosfatos de calcio utilizados en la mezcla [48]: - Los CPC hechos de un mono componente, en los cuales hay un único componente de fosfato de calcio que se hidroliza para formar HA o CDHA tal y como se demuestra en la ecuación (Eq. 3.1) 3α-Ca3(PO4)2 + H2O  Ca9(HPO4)(PO4)5(OH) (Eq. 3.1) - Los CPC formados por dos fosfatos de calcio, uno ácido y el otro básico, que fraguan siguiendo una reacción ácido-base. Dos ejemplos de reacciones son las del TTCP con el DCPD o del TTCP con el DCP, como se pueden ver en las ecuaciones (Eq. 3.2) y (Eq. 3.3): Ca4(PO4)2O + CaHPO4  Ca5(PO4)3OH (Eq.3.2) Ca4(PO4)2O + CaHPO4.2H2O Ca5(PO4)3OH + 2H2O (Eq. 3.3) - Los sistemas formados por más de dos componentes, incluyendo fosfatos de calcio y otras sales, por ejemplo calcio, carbonato de estroncio o fosfato de magnesio. De manera general, se requiere que los CPC presenten unos requisitos clínicos para que se puedan utilizar en cirugía, como por ejemplo [8]: - Ausencia de toxicidad. TTCP DCP PHA TTCP DCPD PHA Pág. 34 Memoria - Bioactividad, es decir que la capacidad de formar un enlace directo con el hueso, sin formación de una capsula fibrosa entre el material y el hueso. - Biocompatibilidad, es decir la capacidad de un material de cumplir su función dando lugar a una respuesta adecuada del organismo receptor en una situación específica. - Ausencia de efectos exotérmicos durante el fraguado. - Cohesión de la pasta del cemento, es decir que tiene capacidad de fraguar en contacto con los fluidos intracorporales sin desintegrarse (es decir sin perder su cohesión). - Tiempos de fraguado y endurecimiento razonables. - Ausencia de contracción de volumen durante el fraguado. - Resistencia mecánica adecuada. 3.3.2.2. Fraguado del cemento El estudio del fraguado de un cemento es uno de los parámetros más importante para estudiar la reactividad del polvo en la mezcla. A continuación se explica el mecanismo de fraguado y de endurecimiento de un cemento a base de α-TCP, ya que es más soluble en comparación con el β-TCP (ver figura 3.11). La reacción de fraguado del polvo de α-TCP con el agua (reacción de hidrólisis) prosigue de acuerdo a la ecuación (Eq. 3.1): 3α-Ca3(PO4)2 + H2O  Ca9(HPO4)(PO4)5(OH) (Eq. 3.1) PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 35 Este proceso implica reacciones paralelas de disolución y precipitación para al final dar la CDHA como producto, con una relación Ca/P de 1,5. Primero ocurre la disolución de la partícula de α-TCP en contacto con la fase líquida: esta etapa provoca la saturación local de iones fosfato y calcio alrededor de las partículas de reactivo; esta saturación origina la precipitación de la fase más estable sobre la partícula, que es la apatita en este caso. El mecanismo inicial de reacción está controlado por la cinética de hidrólisis del α-TCP y la precipitación de la CDHA. Se forma una capa de CDHA sobre la partícula de α-TCP a medida que la reacción avanza. Cuando esta capa es suficientemente gruesa, el mecanismo controlante de reacción cambia a la difusión de iones a través de la capa de producto. Esta reacción de precipitación genera cristales micrométricos y nanométricos que se entrecruzan entre sí causando el endurecimiento del cemento [50,51,52,53,54]. En principio los CPC deberían fraguar lentamente para que el cirujano tenga tiempo suficiente para implantar el material, y a la vez, lo suficientemente rápido para evitar retrasar la operación. Además, idealmente el cemento debe endurecer lo más rápidamente posible. Existen dos métodos principales para medir el tiempo de fraguado de un cemento: - Las agujas de Gilmore - La aguja de Vicat Figura 3.11: Esquema del proceso de fraguado y de endurecimiento de un cemento a base de α-TCP [24] Pág. 36 Memoria En ambos métodos se examina visualmente al cemento determinando el momento en que la indentación de la aguja no deje huella visible sobre la superficie. El método de las agujas de Gilmore es muy empleado para determinar los tiempos de fraguado inicial (FI) y final (FF) de los CPC. Una aguja gruesa y ligera se usa para determinar el FI, mientras que otra aguja delgada y pesada se usa para medir el FF [49, 50,51]. El tiempo de fraguado inicial FI indica el fin de moldeabilidad del cemento sin que hayan serios daños de la estructura, y el tiempo de fraguado final FF es el tiempo por encima del cual se puede tocar el cemento sin causar serios daños en la estructura[48]. De acuerdo con Driessens [55], el significado clínico de estos valores es que el cemento debe ser implantado antes del FI y el acceso quirúrgico debe ser cerrado después del FF (ver figura 3.12). Además, la pasta de cemento no debe ser deformada entre el FI y el FF porque se inducen fracturas en el material [49,55]. En general, los tiempos de fraguado de los cementos de apatita son demasiado largos, por lo tanto varias estrategias se pueden llevar a cabo a fin de alcanzar los requerimientos clínicos. De hecho se pueden ajustar algunos parámetros para acelerar los tiempos de fraguado [48]: Figura 3.12: Diagrama de los parámetros de fraguado y endurecimiento de un CPC: Tiempo de cohesión TC, tiempo de fraguado inicial FI, tiempo de fraguado final FF [24] PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 37 - Relación líquido/polvo : Cuando más elevada es la relación, más tiempo tarda el cemento a fraguar - Tamaño de partículas : Cuando más pequeño es el tamaño de grano, más área superficial tiene el polvo para reaccionar con el agua , así acelera los tiempos de fraguado - Adición de iones de calcio y de fosfato en la fase líquida que actúan como acelerante de la reacción La determinación del tiempo de fraguado se ve afectada considerablemente no sólo por estos factores, sino también por la temperatura, la humedad, y otros factores, por lo que para obtener resultados comparables es necesario realizar las medidas en condiciones similares[8]. En este informe desarrollaremos el tema de la hidratación del polvo de α-TCP sobre la reactividad del cemento, midiendo los tiempos de fraguado a diferentes porcentajes de humedades del polvo inicial. El tiempo de cohesión TC es el tiempo mínimo necesario para que no se desintegre el cemento sumergido en agua a 37°C. Se espera que el TC sea menor al tiempo de FI para que el cirujano pueda moldear la pasta en el defecto sin que sufra fracturas y sin que se disgregue al estar en contacto con la sangre [55,56]. 3.3.2.3. Ventajas y desventajas de los CPC Los cementos de fosfato de calcio presentan muchas ventajas como biomateriales en comparación con las cerámicas de fosfato de calcio [48]: - Son inyectables, lo que permite la implantación mediante técnicas de mínima invasión quirúrgica. - Tienen la capacidad de autofraguar in-vivo. - Se adaptan al lugar del implante, asegurando un buen contacto entre el hueso y el biomaterial, incluso con geometrías complejas. Este buen contacto es necesario para que haya una buena estimulación del crecimiento óseo. Pág. 38 Memoria - Las reacciones in vivo producen HA (cementos apatíticos) más similar a la hidroxiapatita biólogica, desde un punto de vista químico y estructural lo que contribuye al aumento de su reactividad en comparación con las cerámicas de fosfato de calcio. - Se puede incorporar diferentes tipos de fármacos; puesto que la reacción de fraguado se hace a temperatura ambiente, antibióticos como anti-inflamatorios pueden ampliamente estimular respuestas biológicas. A pesar de las ventajas que presentan los CPC, tanto los CPC como las cerámicas de fosfato de calcio tienen limitaciones por causa de sus bajas propiedades mecánicas y su elevada fragilidad. Además, los CPC en comparación con las cerámicas de fosfato de calcio poseen una elevada porosidad intrínseca lo que disminuye aún más su resistencia mecánica. Es por ello que la utilización de los CPC se limita a aplicaciones con baja carga mecánica, como el tratamiento de defectos maxilofaciales por ejemplo. Los cementos de apatita también tienen una relativamente baja velocidad de resorción en comparación con los cementos de brushita. El superar las limitaciones intrínsecas de los cementos sin que ello comprometa sus ventajas sigue aún siendo un reto que persigue „ampliar‟ el rango de aplicabilidad de los cementos como biomateriales. Sin embargo, no es únicamente las propiedades mecánicas lo que debe solucionarse sino también aspectos más fundamentales como lo es el control de la reactividad del cemento que se ve notablemente afectado por la humedad ambiente. La hidratación de los reactivos que componen la fase sólida de un cemento afecta a su reactividad y por tanto es un parámetro que hay que controlar para poder predecir las propiedades y la aplicabilidad del cemento. Este último aspecto es el que se ha elegido como objeto de estudio en este proyecto por su relevancia y la falta de estudios en el campo. PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 39 4. Materiales y métodos Este capítulo está organizado en dos bloques, un primer bloque donde se describen las diferentes etapas de obtención de los componentes de un cemento (fase sólida y fase líquida) así como de la elaboración del cemento (sección 4.1) y un segundo bloque donde se detallan los experimentos realizados para el estudio del efecto de la humedad (sección 4.2). El efecto de la humedad se ha investigado desde dos puntos de vista: 1) Estudio de la hidratación de la fase sólida del cemento (polvo de α-TCP) a diferentes humedades relativas 2) Estudio de la humedad ambiente en la elaboración de un cemento 4.1. Preparación de los cementos 4.1.1. Preparación de la fase líquida La fase sólida está compuesta por un 98% en peso de fosfato tricálcico alfa α-TCP y un 2% en peso de semilla de hidroxiapatita precipitada PHA. 4.1.1.1. Obtención del polvo de α-TCP Se obtiene el polvo de fosfato tricálcico mezclando estequiométricamente polvos de hidrogenofosfato de calcio CaHPO4 y de carbonato de cálcico CaCO3. A continuación se presenta el protocolo que se ha seguido para la obtención del polvo inicial de α-TCP: 1- Se mezclan 131,589g de CaHPO4 (C7263-2.5KG, Sigma Aldrich) y 48,399g de CaCO3 (C4830-500G, Sigma Aldrich) para obtener 150g de polvo en condiciones estequiométricas. 2- Se ponen los 150g en la máquina “Whip Mix” donde se mezclan los polvos durante 10 minutos. Después se mezcla a mano el polvo para asegurar que no quede parte de los reactivos sin mezclar en algún rincón de la mezcladora y a continuación se mezcla de nuevo otros cinco minutos más con la máquina. Pág. 40 Memoria 3- A conticuación se transfiere la mezcla en un crisol de platino y se compacta manualmente para que todo quepa en el crisol. 4- Se introduce el crisol en el horno (CNR-58, Hobersal S.L., Barcelona, España) para obtener el α-TCP a través de la siguiente reacción (Eq.4.1) que ocurre a alta temperatura y en estado sólido : (Eq.4.1) A continuación se presentan las etapas de tratamiento térmico que sufre el polvo a fin de obtener el α-TCP: 1- Se aumenta la temperatura del horno de temperatura ambiente hasta 300°C en 2 horas; esta etapa permite evaporar el agua absorbida de los reactivos. 2- Se mantiene constante la tempratura a 300°C durante 2 horas para permitir el secado completo de los reactivos. 3- Se aumenta la temperatura de 300 hasta 1100°C en 5h20. En esta etapa ocurre la descomposición del CaCO3 en dióxido de carbono CO2 y óxido de calcio CaO según la reacción (Eq.4.2): (Eq.4.2) Por otro lado ocurre la reacción del CaO con el CaHPO4 para formar el fosfato tricálcico beta (β), CO2 y agua. 4- Se mantiene constante la temperatura a 1100°C durante 2 horas para asegurar que la reacción de los reactivos sea completa. 5- Se aumenta la temperatura de 1100 hasta 1400°C en 2 horas, para formar α-TCP, puesto que es la fase la más estable por encima de 1180°C. DCP TCP PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 41 Se mantiene constante la temperatura a 1400°C durante 2 horas para asegurar la estabilización de la fase α. La tabla 4.1 y la gráfica 4.1 recapitulan las etapas de sinterización del α-TCP: Etapas Tinicial [°C] Tfinal [°C] v [°C/min] ∆t [min] 1 20 300 2,5 120 2 300 300 0 120 3 300 1100 2,5 320 4 1100 1100 0 120 5 1100 1400 2,5 120 6 1400 1400 0 120 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 2 4 9,2 11,2 13,2 15,2 Temperatura [°C] Tiempo [h] Ciclo térmico de sintesís del alfa-TCP Tabla 4.1: Etapas del tratamiento térmico de síntesis del α-TCP Figura 4.1: Ciclo térmico de sinterización del α-TCP 1 2 3 4 5 6 Pág. 48 Memoria - FTIR (Espectroscopia de infrarrojos por transformada de Fourier) que detecta los grupos funcionales dentro de un material. Para analizar las muestras se prepara una pastilla transparente donde se mezcla a una proporción aproximada de 10:1 bromuro de potasio con la muestra y se compactan con la ayuda de una prensa. El bromuro de potasio no interfiere en el resultado y se añade para poder obtener pastillas transparentes y así poderlas analizar por transmision. - DSC (Calorimetría diferencial de barrido) para analizar sus transformaciones de fases mediante un tratamiento térmico. 4.2.3. Efecto de la humedad relativa en la reacción de fraguado de un cemento Este estudio consiste en ver la reactividad del polvo de α-TCP en función de la cantidad de agua que adsorbe este polvo; una de las estrategias en la que se concentra este proyecto es estudiar las diferencias de tiempos de fraguados entre los polvos hidratados con las agujas de Gilmore. Este método consiste en indentar el cemento primero con una aguja ligera y gruesa para determinar el tiempo inicial de fraguado, y luego con una más pesada y delgada para el tiempo final. Este aparato se compone de dos brazos rígidamente unidos a un soporte que mantiene en posición vertical los dos dispositivos de penetración, como se puede ver en la figura 4.5: Las características dimensionales de las agujas de Gilmore siguen la norma ASTM-C266. Figura 4.5: Fotografía del dispositivo relativo a las agujas de Gilmore PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 49 Para realizar este experimento bajo atmósfera controlada se trabaja con una campana que permite el control de la humedad, una cámara WEIDNER, tal como se ve en la figura 4.6: Para llevar a cabo este proceso, se necesitan las agujas de Gilmore, morteros y mazas para mezclar el polvo junto con la fase líquida, así como tres anillos donde se pone la pasta y que sirven de soporte para hacer las medidas de fraguado. Disponemos de tres de cada uno para poder hacer triplicados de tiempos de fraguado de polvos a cada porcentaje de hidratación; así se podrá ver de manera más significativa la reproducibilidad de estos valores. Disponemos también de la fase líquida y de una pipeta para tomar el volumen preciso de solución acuosa a mezclar con el polvo. Necesitamos también una espátula pequeña y llana para poder coger la pasta del mortero hasta el anillo, así como trozos de papel (entre los dos recipientes de cristal) para poder limpiar la espátula después de cada medida de tiempos. Los dos recipientes de cristal llanos situados por los dos lados de la cámara están llenos de solución saturada de sal que da la humedad con la cual queremos trabajar. Figura 4.6: Material utilizado en la cámara de humedad para medir los tiempos de fraguado bajo atmósfera controlada Pág. 50 Memoria Disponemos de un higrómetro (Testo AG 610, Germany) que mide el porcentaje de humedad y la temperatura asociada con una precisión de un decimal. Este aparato tiene una precisión de ±2,5%. Finalmente tenemos un cronómetro para medir los tiempos iniciales y finales de reacción de fraguado. Éste se pone en marcha en el momento en que el polvo entra en contacto con la fase líquida. A continuación se explica el protocolo seguido para llevar a cabo estas medidas: 1- Pesar 3X1,11g de polvo en 3 cápsulas de Petri (cristal) 2- Poner estos 3X1,11g en la estufa a 120°C durante 2 horas - Desidratación 3- Sacarlas de la estufa y ponerlas en un desecador durante 20 minutos para que se enfrien 4- Introducirlas en la campana que ha estado previamente estabilizada a la humedad deseada 5- Se deja el polvo en la campana 3 días antes de tomar medidas del tiempo de fraguado 4.3. Técnicas de caracterización En esta sección se explican de forma general las principales técnicas que se han utilizado para caracterizar los materiales: la difracción de rayos X, el microscopio de barrido, la calorimetría de barrido diferencial y la espectroscopia infrarroja. 4.3.1. Difracción de rayos X (DRX) y método de Rietveld La difracción de rayos X (DRX) es una técnica de caracterización de fases minerales micro y policristalinas de materiales, y da información tanto sobre los tipos de fases presentes como sus proporciones respectivas. Esta técnica consiste en analizar la intensidad dispersada I de un rayo X incidente sobre una muestra en función del ángulo incidente y difractado 2θ y el resultado se recoge en un difractograma. PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 51 Un haz de rayos X monocromáticos y paralelos choca contra un cristal y es difractado en una dirección determinada por cada familia de planos reticulares cada vez que la ley de Bragg (Eq 4.3) se cumple: n : Número entero que representa el orden de difracción λ : Longitud de onda de rayos X incidentes θ: Angulo de difracción de rayos X dhkl : Distancia interreticular Los rayos X de longitud de onda λ inciden sobre dos planos de átomos paralelos de índices de Miller (hkl) como en la figura 4.7. Las ondas difractadas producirán intensidad máxima en un detector si la diferencia entre las trayectorias de los rayos es un número entero de veces la longitud de onda de los rayos X empleados nλ, donde n es un número entero. En la figura vemos que la diferencia del recorrido de las dos ondas es 2.dhkl.senθ. El detector mide la intensidad del rayo X difractado en ciertas direcciones. Gira alrededor del mismo eje pero con una velocidad dos veces más alta que la de la muestra. Por eso, para un ángulo de incidencia θ, el ángulo medido por el desplazamiento del detector será de 2θ. Figura 4.7: Esquema de difracción de rayos X de un cristal para una familia de planos reticulares (Eq 4.3) Pág. 52 Memoria El difractograma nos da dos tipos de informaciones fundamentales: por una parte la geometría de las direcciones de difracción, condicionada por el tamaño y la forma de la celdilla unidad del cristal. Conociendo estas direcciones será posible averiguar el sistema cristalino y las dimensiones de la celdilla. Por otra parte, las intensidades de los rayos difractados están íntimamente relacionadas con la naturaleza de los átomos y con las posiciones que éstos ocupan en la red cristalina, de forma que su medida constituye un procedimiento para obtener información tridimensional acerca de la estructura interna del cristal. Las medidas de intensidades de rayos X son estimaciones semi-cuantitativas, considerando que el porcentaje de una especie mineral es proporcional al área de los picos registrados en el difractograma. Pero uno de los problemas con esta técnica es la posibilidad que se superpongan picos de difracción en la identificación para muestras policristalinas, y que por lo tanto dificultan la determinación de sus estructuras cristalinas. Por eso se puede emplear el método de Rietveld que está basado en la DRX y con el cual se puede determinar con mayor precisión algunos parámetros estructurales de la muestra. Consiste en la construcción de un modelo teórico cuyos parámetros se ajustan a los del patrón de difracción experimental. El modelo teórico incluye aspectos estructurales como la estructura cristalina, grupo especial, posición de los átomos en la celda unitaria etc pero también factores microestructurales como el tamaño de grano o la concentración de las fases presentes (para la cuantificación de las fases cristalinas). Por eso con esta técnica se pueden determinar con precisión todos estos parámetros a partir de un patrón experimental. En este proyecto se utiliza el aparato DRX Brucker DB Advance del centro de investigación en nanoingeniería CRNE. 4.3.2. Microscopio electrónico de barrido (MEB) El microscopio electrónico de barrido MEB (o “Scanning Electron Microscopy” SEM) es un instrumento de caracterización que permite la observación de la topografía de superficies de materiales inorgánicos y orgánicos dando información morfológica del material analizado. PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 53 En la MEB un haz de electrones emitidos por un filamento de tungsteno que actúa como cátodo es dirigido hacia la muestra a través de una columna incluida en el microscopio. El ánodo, positivo relativo al filamento catódico, forma fuertes fuerzas atractivas a los electrones que los aceleran dentro de la columna. Este haz de electrones, que puede tener una energía hasta 4keV, está enfocado por una o dos lentes magnéticas con simetría axial y luego desviado por un campo magnético. El impacto de los electrones proveniente del haz en la muestra produce (entre otros tipos de electrones), electrones secundarios que están colectados en un detector específico, convertidos en una señal electrónica que luego será amplificada para luego dar una imagen de la topografía del material. Esto permite obtener imágenes con un poder de resolución inferior a 5 nanómetros, y con una gran profundidad de campo. El poder de resolución del MEB depende principalmente de la dimensión del haz de electrones, de su difusión en la muestra antes de la emisión de los electrones secundarios y de la corriente estabilizada de la lente. En nuestro caso utilizamos el microscopio (Zeiss Neon 40) del centro de investigación en nanoingeniería CRNE. 4.3.3. Espectroscopia de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR) La espectroscopia infrarroja es una técnica rápida y no destructiva de detección de vibraciones características de enlaces químicos dentro de materiales orgánicos y no orgánicos. De hecho permite el análisis de los grupos funcionales presentes en el material. Está basada en la absorción de rayos infrarrojos por el material de análisis, el rango de infrarrojos de entre 4000 cm-1 y 400 cm-1 es el rango correspondiente a las vibraciones de las moléculas. El análisis consiste en un espectrómetro de transformada de Fourier que transfiere un rayo infrarrojo en la muestra y mide las longitudes de onda a las cuales el material absorbe así como las intensidades de absorción. Todas las vibraciones no dan lugar a absorción, esto depende de la geometría de la molécula, y sobre todo de su simetría. La posición de las bandas de absorción dependerá de la diferencia de electronegatividad de los átomos y de sus masas. Pág. 54 Memoria La FTIR da dos tipos de informaciones: - Informaciones cualitativas : las longitudes de onda a las cuales la muestra absorbe son características de los grupos químicos presentes. - Informaciones cuantitativas : la intensidad de absorción a la longitud de onda característica está directamente relacionada con la concentración del grupo químico responsable de la absorción. En cuanto a las informaciones cualitativas, es importante destacar que un mismo grupo químico puede dar lugar a varios tipos de vibraciones y de hecho a absorciones a diferentes longitudes de onda; esto depende de la manera con la cual están unidos los átomos y de su geometría. Un ejemplo relevante es el de la molécula de sílice donde el átomo de silicio está unido a 4 átomos de oxígeno; da lugar a 3 tipos de vibraciones, Si-O streching (1080 cm-1), Si-O bending (805 cm-1) y Si-O rocking (450 cm-1). Es necesario hacer ante todo un espectro “background” que es una medida sin muestra en el espectrómetro. Esta se resta a la medida realizada con la muestra para así eliminar las señales que provienen de la absorción por moléculas presentes en la atmosfera. Un solo “background” se puede utilizar para varias medidas con muestras puesto que este espectro es una característica del aparato por sí mismo. El análisis de espectroscopia infrarroja se realizó en un espectrómetro Nicolet 6700 FTIR en el rango de 400-4000 cm-1 4.3.4. Calorimetría diferencial de barrido (DSC) La calorimetría diferencial de barrido DSC es una técnica que consiste en el análisis de la evolución del flujo de calor intercambiado entre la muestra y la referencia (inerte) en función de la temperatura (o del tiempo) mientras se aplican rampas térmicas, aunque se puede aplicar también temperatura constante. Se inyecta nitrógeno gaseoso en el sistema para crear atmósfera controlada y sobre todo para disminuir la humedad del ambiente en la atmósfera de trabajo así como atenuar los efectos de condensación. Con esta técnica es posible determinar las temperaturas de transiciones de fase y reacciones químicas de diferentes materiales, así como el flujo de calor asociado, sea exotérmico o endotérmico. PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 55 Generalmente el rango de temperatura de uso del calorímetro es de 25°C a 730°C, y las rampas de temperatura seleccionables están entre los 0,1 y los 20°C/min en intervalos de 0,1°C/min, aunque en la práctica trabajamos más con rampas de 10°C/min. Se realizó estos ensayos con el DSC 2920 TA Instruments. Pág. 56 Memoria 5. Resultados y discusión En este capítulo se exponen y se discuten los resultados que se reparten en dos bloques distintos: 1) Control de humedad del sitio de trabajo: recipientes herméticos y campana (sección 5.1). 2) Estudio del efecto de la humedad relativa en la elaboración de un cemento (sección 5.2) Este segundo punto a su vez se ha investigado desde tres puntos de vista: a) Estudio del efecto de la humedad relativa en la reacción de fraguado de un cemento b) Estudio de la hidratación de la fase sólida del cemento (polvo de α-TCP) a diferentes humedades relativas c) Caracterización del polvo de α-TCP a diferentes humedades relativas (HR) 5.1. Control de humedad Como se explicó en la sección 4.2 se dispone de dos medios de trabajo, unos recipientes herméticos pequeños y también una campana donde se les añade diferentes sales para conseguir humedades determinadas. Ambos medios deben permitir un control adecuado de su humedad antes de poder introducir el material que se quiera hidratar. Para ello se introduce un higrómetro en los diferentes recipientes saturados con las sales de trabajo y se monitoriza la humedad en función del tiempo. 5.1.1. Control humedad: En recipientes En las siguientes gráficas (Figuras 5.1 a 5.4) se representa el porcentaje de humedad medido en función del tiempo en los recipientes herméticos de pequeño volumen (350ml) que contienen cada una de las sales. Esto nos sirve para poder determinar el tiempo de estabilización del sistema. Se hacen tres ensayos para cada solución. PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 57 Están representadas tres curvas de estabilización de humedad, cada una corresponde a un ensayo independiente, hecho en días diferentes. La figura 5.1 muestra que la humedad experimental aunque no alcanza la humedad teórica de 100%, se estabiliza a valores alrededor del 94-95% al cabo de una hora. La figura 5.2 representa tres ensayos de control de humedad con la solución acuosa saturada de cloruro potásico, cuya humedad teórica es de 84,3%. 45 55 65 75 85 95 105 0 50 100 150 200 250 Humedad [%] Tiempo [min] 95,3% 90,2% 93,9% 50 55 60 65 70 75 80 85 0 50 100 150 200 Humedad [%] Tiempo [min] 79,6% 80% 81,1% Figura 5.1: Gráfica de estabilización de humedad en el contenedor de agua pura con el tiempo Figura … : Gráfica de estabilización de humedad en el contenedor de solución de agua con el tiempo Figura … : Gráfica de estabilización de humedad en el contenedor de solución de agua con el tiempo Figura … : Gráfica de estabilización de humedad en el contenedor de solución de agua con el tiempo Figura … : Gráfica de estabilización de humedad en el contenedor de solución de agua con el tiempo Figura 5.2: Gráfica de estabilización de humedad en el contenedor de solución cloruro potásico con el tiempo Pág. 64 Memoria Es interesante observar que los tiempos de fraguado son similares si se compara el polvo de origen (figura 5.8) con el polvo hidratado (figura 5.6) a cada una de las humedades. Esto pone de manifiesto que la humedad relativa del ambiente afecta de manera significativa al fraguado del cemento durante el tiempo que se tarda en hacer la medida. Las diferencias de tiempos al aumentar la humedad del medio nos llevaron a un estudio de cinética de hidratación del polvo de α-TCP así como su caracterización a diferentes HR. 5.2.2. Estudio de la cinética de hidratación del polvo de α-TCP Se decidió comprobar ante todo la capacidad del polvo de α-TCP a retener el agua en función de la humedad del medio, según las etapas desarrolladas en la sección 4.2.2. 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 RH : 22,5% RH : 43,2% RH : 84,3% RH : 100% Timepos iniciales promedios (min) 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 RH : 22,5% RH : 43,2% RH : 84,3% RH : 100% Tiempos finales promedios (min) Figura 5.8: Gráfica de tiempos de fraguado iniciales (a)) y finales (b)) promedios del polvo de origen en función de la humedad en la cámara a) b) PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 65 El polvo utilizado está compuesto por un 98% en peso de fosfato tricálcico alfa α-TCP y un 2% en peso de semilla de hidroxiapatita precipitada PHA, según la molienda Superfine; es este polvo que se utilizará no sólo para el control de hidratación sino para todos los otros tipos de medidas que se harán a lo largo del proyecto. Previo a cualquier ensayo este polvo se deshidrata. En las gráficas 5.9 se representa la cantidad (en %) de agua adsorbida por el polvo en función de los días de hidratación y del medio de humedad: - Gráfica a) para HR : 22,5, 43,2 y 84,3% - Gráfica b) para HR : 100% Pág. 66 Memoria 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0 2 4 6 8 10 12 % de agua en el polvo Días de hidratación Acetato P. (22,3%) Carbonato P. (43,2%) Cloruro P. (84,3%) 2 días 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 % de agua en el polvo Días de hidratación Figura 5.9 a): Gráfica de cinética de hidratación del polvo de α-TCP previamente deshidratado para HR: 22,5%, 43,2% y 84,3% Figura 5.9 b): Gráfica de cinética de hidratación del polvo de α-TCP previamente deshidratado para HR: 100% PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 67 La cantidad de agua adsorbida por el polvo en la gráfica a) alcanza un valor constante al cabo de 2 días de hidratación para cada HR mientras sigue aumentando en el caso del polvo hidratado en medio con agua (HR : 100%). En el caso del agua la cantidad parece alcanzar un “plateau” sólo al cabo de 13-14 días, con una adsorción de agua mucho más elevada que en la gráfica a). Las dos gráficas demuestran que la cantidad media de agua adsorbida por el polvo aumenta con la humedad del medio, aunque las diferencias de esta cantidad entre cada HR y por debajo de HR: 100% sean pequeñas; estas observaciones concuerdan con los tiempos de fraguado encontrados en la sección 6.2.1, es decir que cuanto más húmedo es el ambiente, más agua coge el polvo, lo que aumenta el tiempo de fraguado del cemento. El comportamiento diferente del polvo de α-TCP a HR: 100% en cuanto a su cinética de hidratación llevó un estudio particular de caracterización de este polvo. Por lo tanto la caracterización se hizo distinguiendo los dos comportamientos anteriores: 1) Estudio de HR : 22,5% a HR : 84,3%. 2) Estudio a HR : 100%. 5.2.3. Caracterización del polvo de α-TCP a diferentes humedades relativas La caracterización del polvo de α-TCP se hizo mediante ensayos de DRX y método de Rietveld, análisis con SEM, FTIR y DSC. 5.2.3.1. Difracción de rayos X (DRX) y método de Rietveld Se realizaron primero ensayos de DRX del polvo de α-TCP deshidratado y del polvo hidratado a las diferentes humedades durante 3 días a fin de ver la posibilidad de que haya cambios de fases características en función de las humedades relativas (HR). En la gráfica 5.10 se representaron de abajo hasta arriba los difractogramas siguientes: - Polvo de origen que es el polvo que proviene directamente de la molienda sin desidratar y que nos sirve de referencia - Polvo a HR : 100% - Polvo a HR : 84,3% - Polvo a HR : 22,5% Pág. 68 Memoria El difractograma revela la presencia de α-TCP en cada muestra con el análisis de picos característicos de α-TCP que se hizo con la ficha 09-0348. En la tabla 5.2 se destacan y se comparan los ángulos teóricos y experimentales correspondientes a sus intensidades máximas. Intensidad teórica (%) Angulo teórico 2θ (°) Angulo experimental 2θ (°) 100 30,751 30,8 50 34,18 34,24 40 24,097 24,14 40 22,901 22,90 40 22,723 22,78 25 12,097 12,1 Tabla 5.2: Comparación de los picos teóricos con los experimentales Figura 5.10: Difractogramas del polvo de origen, polvo a HR: 100%, HR: 84,3% y HR: 22,5% PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 69 Los picos encontrados corresponden a los teóricos y el ancho de estos picos de α-TCP son iguales entre las muestras lo que sugiere que no hayan cambios del tamaño de grano como lo relaciona M.A. Lopez-Heredia et al. [58] con el efecto del tiempo de molienda en la modificación de la estructura cristalina. Ningún pico característico de β-TCP se ha detectado, lo que nos indica la pureza del polvo y las buenas condiciones en las cuales se hizo el temple de preparación del polvo; tampoco revela la presencia de picos de hidroxiapatita (HA) cristalina en ninguna de las muestras. Sin embargo no se revela una línea de base recta en los difractogramas sino que claramente se observa un “montículo” (hump) alrededor de los 31O sugiriendo la presencia de alguna fase amorfa (o poco cristalina), de composición de momento desconocida, en cada una de las muestras de HR diferentes. Por eso se decidió cuantificar esta fase amorfa con el método de Rietveld sobre difractogramas que se obtuvieron mezclando el polvo de α-TCP con una cantidad conocida de óxido de zinc. La diferencia entre la cantidad real (pesada) y la calculada permite determinar el % de fase amorfa en el polvo. En la figura 5.11 se representa un ejemplo de difractograma DRX con el método de Rietveld. Figura 5.11: Difractograma DRX con Rietveld del polvo hidratado en medio de agua 5 días Pág. 70 Memoria El difractograma rojo es el difractograma experimental y el negro es el teórico; el ajuste entre estos dos difractogramas está representado en azul en la parte más debajo de la figura (diferencia de intensidades entre los dos difractogramas). Se nota muy poca variaciones de intensidad lo que sugiere que el ajuste está bien hecho. En la tabla 5.3 se recapitulan los porcentajes de fase amorfa del polvo de α-TCP a HR: 100% en función del tiempo de hidratación El polvo de origen tiene un 25,1% de fase amorfa, que según C.L. Camiré et al. [59] puede ser debida al proceso de molienda del polvo. Aunque los resultados de RX no permiten ver ninguna diferencia a nivel de formación de nuevas fases cristalinas, ni de contenido de fase amorfa que pudiera justificar los cambios en los tiempos de fraguado, es posible que estos cambios o bien 1) No puedan ser detectados por RX (poca cantidad de fase transformada) o bien 2) Se produzcan cambios en la fase amorfa, que transformaría a una nueva fase también amorfa (si este fuera el caso es imposible detectar el amorfo de partida del amorfo generado durante la hidratación). 5.2.3.2. Microscopio electrónico de barrido (MEB) En este estudio se intentó analizar la topografía de la superficie del polvo de α-TCP a diferentes humedades y diferentes tiempos de hidratación a fin de determinar la presencia de alguna fase cristalina no detectada por DRX. HR: 22,5% a HR: 84,3% Días de hidratación (HR: 100%) Fase amorfa (%) 0 25,1 1 29,6 5 31,1 9 28,9 16 32,7 Tabla 5.3: Porcentajes de fase amorfa del polvo de α-TCP en función del tiempo de hidratación a HR: 100% PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 71 Este apartado se concentra en el análisis de la superficie del polvo por debajo de HR: 100%, tal como se pone de manifiesto con las micrografías de la figura 5.12 a aumentos de X 20 000 y X 70 000. El análisis se hizo a 11 días de hidratación para cada una de las tres humedades relativas. Figura 5.12: Micrografías de MEB a aumentos de 20 000 y 70 000 a).1 - a).2: Polvo de origen, b).1 - b).2: HR: 22,5%, c).1 - c).2: HR: 43,2%, d).1 - d).2: HR: 84,3% 1) X 20 000 2) X 70 000 a).1) a).2) b).1) b).2) c).1) c).2) d).1) d).2) Pág. 72 Memoria A primera vista no parece haber diferencias de topografía entre cada muestra. Se observa la presencia de pequeños cristales en la superficie de las partículas que son presentes a cada HR: son partículas de hidroxiapatita precipitada PHA que se pusieron en la preparación del polvo (2% en peso) y que sirve de agente nucleante. A parte de estas partículas no hay diferencias notables entre los diferentes polvos a nivel de microestructura. HR: 100% A continuación se presentan las micrografías del polvo hidratado a HR: 100% a diferentes tiempos incluso del polvo hidratado en medio agua seguido de un tratamiento térmico de 25 hasta 650°C con una rampa de 10°C/min (micrografías e).1) y e).2)). 1) X 20 000 2) X 70 000 a).1) a).2) b).1) b).2) d).1) d).2) PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 73 La similitud entre las microestructuras de los polvos obtenidos independientemente de la HR y del tiempo de hidratación parece indicar que la reactividad del material está asociada a cambios en la fase amorfa y no a la cristalización de alguna fase en la superficie del material. Figura 5.13: Micrografías de MEB a HR: 100% a tiempos de hidratación diferentes y a aumentos de 1) 20 000 y 2) 70 000 a).1) - a).2): 1 día, b).1) - b).2): 5 días, c).1) - c).2): 9 días, d).1) - d).2): 15 días, e).1) – e).2): A 15 días con tratamiento térmico c).1) c).2) d).1) d).2) e).1) e).2) Pág. 80 Memoria A continuación se recapitulan en la tabla 5.5 las entalpias de los picos junto con la temperatura del pico endotérmico con el tiempo de hidratación. La entalpía del pico endotérmico aumenta de manera significativa con los días de hidratación hasta alcanzar un valor constante al cabo de 12-13 días: el polvo adsorbe cada vez más agua cuanto más tiempo se deja en medio con agua, hasta llegar un momento en el cual se satura y llegar a un valor constante de cantidad adsorbida, lo que concuerda con los resultados obtenidos en la cinética de hidratación del polvo a una HR: 100% (gráfica 5.9 b), sección 5.2.2). La temperatura de evaporación del agua adsorbida por el polvo (temperatura pico endotérmico) va aumentando también, lo que significa que se necesita una energía cada vez más importante para evaporar el agua cuanto más tiempo el polvo se deja hidratando. En cambio, la entalpía del pico exotérmico va bajando con el tiempo de hidratación del polvo, hasta llegar a un valor casi nulo a 11 días, lo que sugiere que al cabo de estos días toda la parte amorfa ha desaparecido o se ha consumido por algún fenómeno todavía desconocido. En la gráfica 5.18 se representa la evolución de la entalpía de los picos característicos en función del tiempo de hidratación del polvo: a) Pico endotérmico, b) Pico exotérmico. Días Temperatura pico endotérmico (°C) Pico endotérmico [J/g] Pico exotérmico [J/g] 2 58,78 14,83 ± 0,50 5,82 ± 0,72 4 78,45 64,64 ± 11,85 3,62 ± 0,66 7 83,02 97,41 ± 1,51 2,02 ± 0,02 9 93,19 148,95 ± 4,5 0,86 ± 0,52 11 101,36 173,75 ± 8,0 ≈ 0 Tabla 5.5: Entalpías promedias de picos endotérmicos y exotérmicos de DSC y temperatura del pico endotérmico para el polvo humidificado en medio con agua en función de los días de hidratación PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 81 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2 4 7 9 11 Entalpia del pico endotérmico (J/g) Días de hidratación -1 0 1 2 3 4 5 6 7 2 4 7 9 11 Entalpia del pico exotérmico (J/g) Días de hidratación Figura 5.18: Evolución de la entalpía del pico endotérmico (a)) y exotérmico (b)) con el tiempo de hidratación para HR: 100% a) b) Pág. 82 Memoria La subida de la entalpía del pico endotérmico y la disminución de la del pico exotérmico con el tiempo de hidratación muestran una evolución lineal con coeficiente de regresión de r2=0.999 y 0.895 respectivamente. El uso del DSC, a diferencia de las técnicas anteriores aunque no permite detectar diferencias entre los polvos hidratados por debajo del 85% de HR si que claramente muestra que la fase amorfa del polvo hidratado al 100% de humedad reacciona con el tiempo de hidratación. 5.2.3.5. Discusión general Los diferentes resultados mostrados en las secciones anteriores indican la presencia de una fase amorfa a cada HR cuya cantidad no parece cambiar por debajo de HR :100% pero que sin embargo se consume al cabo de 12 o 13 días cuando el polvo está sometido a una HR del 100%. La hipótesis que se plantea es que la fase amorfa se pueda transformar a HA. Pero cuando se intentó detectar la presencia de esta fase a cada HR y en función del tiempo de hidratación no se pudo corroborar esta hipótesis. Sin embargo, como se ha discutido anteriormente cabe la posibilidad que la HA precipitara como una nueva fase amorfa siendo imposible distinguirla por DRX del amorfo en el polvo de origen. Estas hipótesis nos llevaron a volver a realizar una DRX del polvo de origen pero después haber impuesto el mismo tratamiento térmico que los realizados con los ensayos de DSC. El objetivo es detectar la composición de la fase amorfa que ha recristalizado a los 530°C analizando los picos característicos de la estructura cristalina que se ha formado a partir de esta parte amorfa. En la gráfica 5.19 se presentan los difractogramas del polvo de origen: a) Sin tratamiento térmico (proviene directamente de la molienda) b) Con tratemiento térmico : de 25 hasta 640°C a 10°C/min y enfriado en el horno lentamente (una noche) PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 83 El difractograma con tratamiento térmico revela picos característicos de hidroxiapatita (flechas azules) más o menos delgados, lo que demuestra la cristalización de parte del amorfo a HA cristalina. Para eliminar la posibilidad que la HA amorfa (formada durante hidratación) no necesitara más tiempo para recristalizar, se realizaron DSC a velocidades inferiores. Por lo tanto se probaron dos ensayos de DSC más, representados en la gráfica 5.20: a) Con polvo hidratado a HR : 100% durante 14 días b) Con polvo de origen Pero se bajó la rampa de calentamiento a 5°C/min en vez de 10°C/min de los ensayos de la parte 5.2.3.4. a fin de poder ver otro pico de recristalización además del pico exotérmico ya presente. Figura 5.19: Difractograma del polvo de origen: a) Sin tratamiento térmico, b) Con tratamiento térmico (HT) de 25 hasta 650°C a 10°C/min y enfriado lentamente a) b) Pág. 84 Memoria No se ve ningún pico de recristalización adicional a otra temperatura de la del pico exotérmico a 530°C que hubiera podido corresponder al pico de recristalización de la HA formada con el tiempo de hidratación. De hecho no se puede concluir nada de la formación o no de hidroxiapatita amorfa durante el proceso de hidratación a alta humedad. Es posible que este pico exotérmico ocurra a una temperatura más alta que 650°C pero debido al límite de temperatura máximo alcanzable con el aparato (750°C) no se podrá detectar. a) b) Figura 5.20: Curvas de DSC de a) Polvo hidratado a HR: 100% durante 14 días, b) Polvo de origen PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 85 Las hipótesis que se podrían plantear son las siguientes: 1- HR < 85%: De la parte amorfa del polvo hidratado sólo la superficie más externa reacciona formando una capa más o menos delgada de HA 2- HR: 100%: La parte amorfa del polvo hidratado se transforma completamente en HA con el tiempo Desafortunadamente por falta de tiempo no se ha podido acabar estos experimentos que por cierto son necesarios para poder concluir sobre los posibles ejes de trabajos posteriores. A continuación se esquematizan las hipótesis: 1- HR <85% 2- HR : 100% Fase amorfa HA Moléculas de agua α-TCP Pág. 86 Memoria 6. Conclusiones La reactividad de los cementos en base a fosfato tricálcico alfa a diferentes humedades ha sido evaluada primero a nivel macroscópico con los tiempos de fraguado los cuales han mostrado una notable prolongación en el fraguado del cemento con la humedad ambiente. De la evaluación de la cinética de hidratación de la fase sólida del cemento (polvo α-TCP) se destacan dos comportamientos diferentes: la cantidad de agua adsorbida por la superficie de las partículas por debajo de 85% llega a una constante (de menos de 0,3% de adsorción) al cabo de 2 días, mientras que a 100% la adsorción llega a un “plateau” más elevado (3,5% de adsorción) sólo al cabo de 13-14 días de hidratación. Se reveló por DRX la presencia de una fase amorfa (o poca cristalina) a cada humedad pero en ningún caso se observó formación de nuevas fases cristalinas a pesar de las diferencias a niveles de tiempos de fraguado lo que podría sugerir la transformación de la fase amorfa del polvo de origen a otra fase amorfa de composición diferente durante la hidratación. La cuantificación por Rietveld de esta posible fase amorfa no revela cambios significativos en cuanto a su proporción a diferentes días de hidratación del polvo a 100% de humedad, lo que concuerda con la conclusión de la DRX. Tampoco se notaron diferencias de topografías con el MEB tanto a humedades por debajo del 85% como a tiempos de hidratación diferentes a 100%, y los análisis por infrarrojos revelaron bandas demasiado anchas para poder detectar grupos funcionales pertenecientes a la HA que hubiera sido una posibilidad lógica ya que el α-TCP se hidroliza a HA en contacto con el agua. En cambio los ensayos de DSC enseñaron que la parte amorfa del polvo hidratado por debajo de 85% no cambia en función de la humedad ni del tiempo de hidratación mientras que disminuye a 100% de humedad hasta desaparecer al cabo de 13-14 días de hidratación, lo cual sugiere que esta parte amorfa se ha transformado y/o recristalizado a otra fase. Esto se pudo confirmar por un tratamiento térmico que picos característicos de la HA. Todas estas observaciones llevan a las hipótesis siguientes, considerando que siempre partimos de un polvo con aproximadamente la misma proporción de fase amorfa inicial: - Por debajo de 85% de humedad : el polvo adsorbe mas o menos agua en funcion de la humedad ambiente que no afecta la fase amorfa pero que forma una capa PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 87 alrededor de las particulas y que cuando mas gruesa es esta pelicula, mas difícil es la reaccion de fraguado. - A 100% de humedad : el agua condesa provocamdo la reacción de la fase amorfa con a hidroxiapatita con el tiempo. Lo que sería interesante hacer son rayos X y método Rietveld del polvo hidratato a tiempos largos en medio con agua y del polvo por debajo de 85% y ambos después de un tratamiento térmico; así podremos ver realmente si hay una presencia más alta de HA en el caso del 100% de humedad. Pág. 88 Memoria 7. Trabajos futuros Se pueden proponer varios ejes de trabajo a fin de completar este estudio y mejorar las condiciones de trabajo: - Comparar los estudios realizados con polvo grueso a fin de destacar las diferencias de reactividad con polvo superfine. - Pensar en un método experimental de control de humedad más fiable que lo utilizado (higrómetro más sensible, cámara de humedad más hermética etc…) - Caracterizar el polvo hidratado a tiempos más largos que 15 días - Cuantificar la proporción de fase amorfa con el método de Rietveld para humedades por debajo de 100% y a tiempos más largos que 15 días. - Realizar un proceso de deshidratación - hidratación - deshidratación del polvo que proviene de la molienda y volver a hacer tiempos de fraguado a fin de ver si la capa amorfa formada es reversible o no. PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 89 8. Costes e impacto ambiental del proyecto 8.1. Costes del proyecto Los costes estimados de este proyecto se pueden dividir en tres partes distintas: - Costes de los materiales y reactivos utilizados - Costes de las técnicas y máquinas de caracterización y de preparación de fase sólida de los cementos - Costes del personal que ha ayudado a este proyecto Materiales y reactivos PRODUCTO CANTIDAD (G O UNIDADES) PRECIO (€) Hidrogenofosfato de calcio CaHPO4 789,5 51,8 Carbontato de calcio CaCO3 290,3 81,2 Hidroxiapatita precipitada PHA 15 0,32 Hidrogenofosfato de calcio Na2HPO4 12,5 0,76 Acetato potásico KC2H3O2 1000 49,6 Carbonato potasico K2CO3.2H2O 300 21,5 Cloruro potásico KCl 250 13,76 Pentaóxido P2O5 30 1,31 Pipeta Pasteur de plástico 35 0,7 Guantes 40 1,6 COSTE TOTAL PRODUCTOS - 222,55 € Tabla 8.1: Costes de los materiales y reactivos utilizados Pág. 96 Memoria [15] NIJIWEIDE, P.J., BURGER, E.H., AND KLEIN-NULEND, J. The osteocyte in Principles of Bone Biology. J.P.Bilezikan, L.G.Raisz, and G.A.Rodan, eds. Academic Press, 2002, p. 93-107 [16] MARTIN, R.B., BURR, D.B., AND SHARKEY,N.A. Skeletal Biology in Skeletal Tissue Mechanics. New York: Springer, 1998, p. 29-78. [17] L. JUNQUERIA AND J. CARNEIRO. Basic histology. 2003. [18] E. F. BRES, V. SERIN, G. CARBAJAL DE LA TORRE, C. COMBES, C. RE. Analyse de nanocristaux d'hydroxyapatite non-stoechiométriques par spectrométrie à perte d'énergie d'électrons. Laboratoire de Structure et des Propriétés de l‟État Solide, UMR CNRS 8008, Université des Sciences et Technologies de Lille, France. [19] E.B. MONTUFAR, M.P.GINEBRA. Fosfatos de calcio. Clases de biomateriales, UPC, ETSEIB, 2011 [20] A.OYEBOLA BOLARINWA. The Formulation of a Bioresponsive Ceramic Bone Replacement. Doctoral thesis, School of Chemical Engineering of the University of Birmingham, June 2010 [21] WEINER,S., WAGNER,H.D. The material bone: Structure mechanical function relations. Annual Review of Materials Science 28, 1998, p 271-298 [22] HING,K.A. Bone repair in the twenty-first century: biology, chemistry or engineering?. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series A-Mathematical Physical and Engineering Sciences 362, 2004, p 2821-2850 [23] SUCHANEK,W. AND YOSHIMURA,M. Processing and properties of hydroxyapatitebased biomaterials for use as hard tissue replacement implants. Journal of Materials Research 13, 1998, p. 94-117. [24] E.B. MONTUFAR JIMÉNEZ. Espumas inyectables de hidroxiapatita obtenidas por el método de espumado de la fase líquida de un cemento de fosfato tricálcico alfa. Tesis doctoral, UPC, 2010. [25] Ng,K.W., ROMAS,E., DONNAN,L., AND FINDLAY,D.M. Bone biology. “Baillieres Clinical Endocrinology and Metabolism 11. 1997, p. 1-22. PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 97 [26] KUHN, L.T. Bone Mineralisatio. In Encyclopedia of Materials: Science and Technology, K.H.J.Buschow, R.W.Cahn, M.C.Flemings, B.Ilschner, E.J.Kramer, and S.Mahajan, eds. Elsevier, 2001, p. 787-794 [27] PARFITT,A. Osteonal and hemi-osteonal remodeling: The spatial and temporal framework for signal traffic in adult human bone. Journal of Cellular Biochemistry 55, 1994, p.273-286. [28] DORON I. ILAN, MD, AMY L. LADD, MD. Bone Graft Substitutes. Operative Techniques in Plastic and Reconstructive Surgery, Vol 9, No 4, p.151-160 [29] PRECHEUR,H.V. Bone graft materials. Dent Clin North Am 51, 2007, 729-46, viii. [30] GIANNOUDIS,P.V., DINOPOULOS,H., TSIRIDIS,E. Bone substitutes: an Update. Injury 36 Suppl 3, 2005, S20-S27. [31] BLOM, A.(v) .Which scaffold for which application?. Current Orthopaedics 21,2007, p.280-287. [32]DOHERTY,M.J.,SCHLAG,G.,SCHWARZ,N.,MOLLAN,R.A.B.,NOLAN,P.C.,WILSON,D.J. Biocompatibility of Xenogeneic Bone, Commercially Available Coral, A Bioceramic and Tissue Sealant for Human Osteoblasts. Biomaterials 15, 1994, p.601-608. [33] F. CLIMENT MONTOLIU. BIOMATERIALES I. Clasificacion de 10s Materiales. Académico Nurnerario, Prof. Ciencia de Materiales e lngenieria Metalúrgica, Universidad de Barcelona. [34] M. VALLET REGÍ. Biomateriales para sustitución y reparación de tejidos. Departamento de Química Inorgánica y Bioinorgánica, Facultad de Farmacia, Universidad Complutense, Madrid [35] HENCH, L.L. Bioceramics - from Concept to Clinic. Journal of the American Ceramic Society 74, 1991, p.1487-1510. [36] BEN-NISSAN, B. AND PEZZOTTI,G. Bioceramics: An Introduction in Engineering Materials for Biomedical Applications. T.S.Hin, ed. World Scientific, 2004, pp. 6-1-6-36 [37] M VALLET REGI, L.MUNUERA. Biomateriales: Aquí y Ahora, 2000 Pág. 98 Memoria [38] DELGADO GARCÍA-MENOCAL, J.A., MOREJÓN,L.,MARTÍNEZ,S.,GIL,F.J. Cerámicas de circona para aplicaciones biomédicas. Centro de Biomateriales, Universidad de La Habana, Cuba - Dept. Cristalografía, Mineralogía y Depósitos Minerales, Facultad de Geología, Universidad de Barcelona - Dept. Ciencia de Materiales e Ingeniería Metalúrgica, ETSEIB, UPC, Biomecánica, 11, 2003, p. 46-52 [39] K.ÈÁSTKOVÁ, H. HADRABA, J. CIHLÁØ “Hydrothermal ageing of tetragonal zirconia ceramics” Department of Ceramics, Brno University of Technology, Technická 2, Czech Republic, 2004 [40] Utilisation des verres bioactifs dans les dispositifs médicaux implantables. Pôle Verrier Colloque "Verre, matériau fonctionnel du futur", Novembre 2006, Nancy [41] LEE,J.H., LEE,C.K., CHANG,B.S., RYU,H.S., SEO,J.H., HONG,S., AND KIM,H. In vivo study of novel biodegradable and osteoconductive CaO-SiO2-B2O3 glass-ceramics. Journal of Biomedical Materials Research Part A 77A, 2006, p. 362-369. [42] GRIFFITH L.G, NAUGHTON G. Tissue engineering-current challenges and expanding opportunities. Science 2002; 295 p. 1009-1014. [43] M. BOHNER. Calcium orthophosphates in medicine: from ceramics to calcium phosphate cements. Injury,Int. J. Care Injured 3I, 2000, S-D37-47 [44] M.P. GINEBRA. Biomecánica del hueso [45] E. FERNÁNDEZ AGUADO, FRANCISCO JAVIER GIL MUR, FERDINAND C.M. DRIESSENS. Obtención y caracterización de nuevos cementos óseos de fosfatos de cacio en el sistema CaHPO4- α-Ca3(PO4)2. Capítulo 1, ETSEIB, Departament de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica,UPC, Noviembre 1996. [46] E. FERNANDEZ*, F. J. GIL, M. P. GINEBRA, F. C. M. DRIESSENS, J. A. PLANELL, S. M. BEST. Calcium phosphate bone cements for clinical applications, Part I: Solution chemistry. JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE: MATERIALS IN MEDICINE 10, 1999, p. 169-176 [47] DRIESSENS, F.C.M., BERMÚDEZ, O., BOLTONG,M.G., PLANELL,J.A. Desarrollo de nuevos cementos óseos a base de fosfato de calcio: resumen de un estudio piloto. PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 99 Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica, Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (ETSEIB), Universidad Politécnica de Cataluña (UPC). [48] M.P. GINEBRA. Calcium phosphate bone cements. 2008 [49] GINEBRA M. P., DRIESSENS F. C. M., FERNÁNDEZ E., KHAIROUN I., GIL F. J., PLANELL J. A. Hydraulic calcium phosphate cements for biomedical applications. Proceedings Interregionales Europäisches Keramikkolloqium, Advanced Ceramics and Composites, 2000, p59-65. [50] FERNÁNDEZ E., GINEBRA M.P., BOLTONG M.G. [ET AL]. Kinetic study of the setting reaction of a calcium phosphate bone cement. Journal of Biomedical Materials Research, 1996, 32: p.367-374. [51] GINEBRA M.P., FERNÁNDEZ E., DEMAEYER E.A.P. [ET AL]. Setting reaction and hardening of an apatitic calcium phosphate cement. Journal of Dental Research, 1997; 76: p.905-912. [52] GINEBRA M.P., FERNÁNDEZ E., DRIESSENS F.C.M., PLANELL J.A. The effect of Na2HPO4 addition on the setting reaction kinetics of an α-TCP cement. Bioceramics, 1998; 11: 243-246. [53] BOHNER M. Physical and chemical aspects of calcium phosphates used in spinal surgery. European Spine Journal 2001; 10: S114-S121. [54] DURUCAN C., BROWN P.W. Reactivity of alpha-tricalcium phosphate. Journal of Materials Science 2002; 37: p.963-969. [55] DRIESSENS F.C.M., PLANELL J.A., BOLTONG M.G., KHAIROUN I., GINEBRA M.P. Osteotransductive bone cements. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part H-Journal of Engineering in Medicine 1998; 212: 427-435. [56] DOROZHKIN S.V. Calcium orthophosphate cements for biomedical applications. J Mater Sci. 2008; 43: p.3028-3057. [57] L. RAMÓN GARCÍA. Introducción al Método Rietveld. Centro de investigación en energía, Universidad Nacional Autónoma de México, Septiembre de 2007. Pág. 100 Memoria [58] M.A. LOPEZ-HEREDIA, M.BOHNER, W.ZHOU, A.J.A. WINNUBST, J.G.C. WOLKE, J.A. JANSEN. The effect of ball milling grinding on the bulk and reactivity properties of calcium phosphate cements. Journal of biomedical materials research B: Applied biomaterials, July 2011, Vol 98B [59] C.L. CAMIRÉ, U.GBURECK, W.HIRSIGER, M.BOHNER. Correlating crystallinity and reactivity in an α-tricalcium phosphate. Biometerials 26 (2005), p.2787-2794 [60] G. PENEL, G. LEROY, C. REY, B. SOMBRET, J. P. HUVENNE AND E. BRES, J. Mater. Sci.: Mater. Med., 1997, 8, p.271–276. [61] R. M. WILSON, J. C. ELLIOTT, S. E. P. DOWKER AND L. M. RODRIGUEZ-LORENZO, Biomaterials, 2005, 26, p.1317-1327. [62] M. E. LONDOÑO, A. ECHAVARRÍA, F. DE LA CALLE, Características cristaloquímicas de la hidroxiapatita sintética tratada a diferentes temperaturas, Revista EIA, ISSN 1794- 1237, Nύmero 5, p.109-118, Junio 2006 [63] GINEBRA M.P., FERNÁNDEZ E., DRIESSENS F.C.M., PLANELL J.A. Modeling of the hydrolysis of α-TCP. J Am Ceram Soc 1999; 82(10): 2008-12. [64] DURUCAN C., BROWN PW., Kinetic model for α-tricalcium phosphate hydrolysis. J Am Ceramic Soc 2002; 85(8): 2013-8 PFC ETSEIB/BIBITE - Déborah RAIK - Estudio del efecto de la hidratación del fosfato tricálcico alfa en su reactividad Pág. 101