Materiale Ceramice Utilizate in Substitutia Osoasă

Studiu de caz: Hidroxiapatita

Biometariale

Generalităţi

Formula chimică: Ca10(PO4)6(OH)2

Proprietati fizice: Hidroxiapatita pură este o substanta albă; apatitele naturale pot avea diverse nuante: maro, galben sau verde.

Sare fină; la temperaturi inalte(>900 Grade Celsius) poate lua forma Cristalină

Raportul Ca/P poate varia intre anumite limite (functie de temperatura, prezenta apei sau a impuritatilor)

Se gaseste atat in stare naturală (oase, dinti), dar se poate obtine si pe cale sintetică (proprietăţi fizice si mecanice asemanatoare)

Proprietăţi mecanice Porozitate (%): 0,1 – 3,0 Densitate Teoretică (g/cm3): 3,05-3,15 Rezistenţa Compresiune (MPa): 350-450 Rezistenţa Rupere (MPa): 38-48 Rezistenţa Inconvoiere (MPa): 100-120 Hidroxiapatita policristalizată are un modul de

elasticitate -E relativ ridicat: 40-117 GPa (HA Sintetica), deci este un produs rigid, ne-elastic.

Utilizări Hidroxiapatita (HAp) este o ceramică pe bază de fosfat

de calciu, folosită de peste 20 de ani în medicină şi stomatologie. Hidroxiapatita preparată comercialeste biocompatibilă, iar biodegradabilitatea este absentă sau limitată. Degradarea hidroxiapatitei poate fi controlată prin variaţia structurii chimice. Fosfatul tricalcic se degradează mult mai repede decât hidroxiapatita.

Hidroxiapatita naturală constituie partea mineralizată anorganică a oaselor şi poate exista în structura acestora în proporţie de până la 65%.

HAp are o importanta deosibită pentru ingineria tesutului osos deoarece structura sa este identica cu cea a oaselor si a dintilor.

Utilizări În prezent, HA este larg utilizată pentru fabricarea

implanturilor osoase din chirurgia ortopedică şi din stomatologie

Cea mai importantă caracteristică a HA ca biomaterial este excelenta sa biocompatibilitate cu ţesutul osos care se manifestă în realizarea de legături chimice directe cu ţesutul osos viu

Sinteza hidroxiapatitei la scară industrială a permis obţinerea unei pulberi de HA de 98% puritate, impurităţile fiind constituite din atomi şi molecule care, conform analizei chimice, nu sunt toxice pentru organism.

Pulberea obţinută industrial a fost utilizată în chirurgie încă din 1920 în scopul promovării consolidării osoase

HAp poroasă; Hap densă

Cercetările în domeniul ingineriei ţesutului osos arată că proprietăţile structurale ale HAp poroase îi conferă acesteia un grad mai bun de resorbabilitate şi o mai bună osteoconductivitate faţă de HA densă, şi o recomandă ca un bun substituent osos pentru chirurgia ortopedică implantologică

HA poroasă cu pori cilindrici se dovedeşte a fi un bun substituent osos datorită rezistenţei sale, a proprietăţilor bune osteoconductive pe care le are şi datorită uşurinţei cu care poate fi controlată forma porilor.

HAp poroasă; Hap densă HA poroasă, deşi are o rezistenţă la compresiune foarte

mică iniţial este recomandată ca un bun substituent osos datorită bunei sale osteoconductivităţi şi a înlocuirii sale de către osul gazdă.

Proprietăţile structurale ale HA poroase îi conferă acesteia un grad mai bun de resorbabilitate şi o mai bună osteoconductivitate faţă de HA densă, şi o recomandă ca un bun substituent osos pentru chirurgia ortopedică implantologică. Pentru a induce creşterea şi dezvoltarea osului în interiorul implantului este necesar ca dimensiunea porilor să depăşească un anumit prag minim, stabilit experimental ca fiind de 100m.

HA poate fi folosită ca strat de acoperire pentru protezele metalice. Endoprotezele din metal neacoperite cu HA au o bună rezistenţă mecanică, dar sunt puţin osteoconductive şi neresorbabile.

Comportarea HAp la incălzire HAp poate fi total sau parţial deshidratată, cu pierderea

corespunzătoare a greutăţii sale.

Reacţia de deshidratare este slab reversibilă:

Ca10(PO4)6(OH)2 Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O

Echilibrul reactiei poate fi usor influentat in functie de presiunea vaporilor de apa. Dacă se adaugă vapori de apă echilibrul se deplasează spre stânga cu formarea de hidroxiapatită, până la circa 1100 Gr Celsius. În condiţii de desfăşurare a reacţiei de încălzire sub vid, aceasta se deplasează spre dreapta- cu formare de oxihidroxiapatită, apa fiind eliminată din sistem.

850-1050 oC

Comportarea HAp la incălzire Reacţiile de echilibru prezentate mai sus se desfăşoară

numai în domeniul de temperatură cuprins între 850 şi 1050 Gr C.

La temperaturi mai scăzute de 800 Gr C apar fenomene de rehidratare.

Dacă încălzirea trece de 1050 Gr C, hidroxiapatita se descompune în fosfaţi de calciu (Ca3(PO4)2, Ca4P2O9).

Studiile făcute pe fosfaţi, privind comportarea la încălzire, au arătat că aceştia îşi menţin structura de apatită până la temperatura de 650 Gr C, fără a forma faze suplimentare. Peste 650 Gr C se formează apatite cu deficit de calciu.

Comportarea apatitelor in medii umede Apatitele în general au o slabă solubilitate în soluţii

apoase (Mediul tisular). Valoarea redusă a solubilităţii apatitelor este deosebit de

benefică pentru utilizările lor în contact cu ţesutul viu (Grad ridicat de stabilitate chimica).

Solubilitatea hidroxiapatitei este puternic influenţată de valoarea pH-ului soluţiei şi este invers proporţională cu creşterea pH-ului.

Alti factori:

Gradul de agitare a soluţiei Defectele de structură ca impurităţi (ex: o structura

cristalina este mult mai stabila in timp) Prezenţa unor ioni sau grupări ionice străine în structura

apatitei reduce solubilitatea în soluţii aproape neutre.

Concluzii

HAp este cea mai importantă dintre apatite cu vaste aplicatii tehnice si medicale

Biomaterial cu posibilitati largi de utilizare in domeniul medical (bun substituent osos pentru chirurgia ortopedică implantologică)

Substantă bio-compatibilă (bun raspuns biologic in vivo)

Bibliografie

Chiriţă M.,Pop G., MATERIALE BIOCERAMICE, Ed.Tehnopress, IASI, 2003

Chiriţă M., Biopolimeri şi compozite naturale, Colecţia BIOINGINERIE MEDICALĂ NR.1, Ed.Tehnică-Info, Chişinău, 2001

Resurse Online (http://en.wikipedia.org/wiki/Hydroxyapatite)