Gruppo Nazionale di Mineralogia Workshop “MINERALI E SALUTE”
SINTESI E
CARATTERIZZAZIONE DI
APATITI CON FINALITA’
BIOMEDICHE
Gabriella Salviulo
Dipartimento di Geoscienze
Università di Padova
Roma 14-15 giugno 2007
“APATITE”
• Ca10 (PO4)6(F,OH, Cl)2
• Fosfato più abbondante
• apatite s.s. tre termini idrossi- fluoro- e cloro-
• minerali importanti nell’ambito
– delle scienze della terra
– delle scienze dei materiali
– delle scienze della vita
COMPOSIZIONE CHIMICA
• Sostituzioni isomorfe
• Ca K, Na, Mg, Fe, Mn, Ni, Cu, Co, Zn, Sr, Ba, Pb,
Cd, Sb, Y, REE, U ….
•
OH F, Cl
•
(PO)4 AsO43- SO42- CO32- SiO44-
STRUTTURA
Tetraedro PO4
Poliedro Ca1O9
Poliedro Ca2O6X
STRUTTURA
La posizione dell’anione cambia a seconda del tipo, proprio rispetto alla posizione del Ca.
Gli ioni calcio infatti formano dei triangoli su piani a z=1/4 e z=3/4 e ognuno dei 3 Ca è
legato a un anione centrale.
F, il più piccolo dei 3 sta z=1/4 e z=3/4 mentre OH e Cl stanno o sopra o sotto
Struttura della fluoroapatite
Scienze della vita
• la idrossiapatite costituisce la frazione inorganica di
ossa e denti e di molte calcificazioni patologiche
• ecco perché la sua importanza in campo medico
odontoiatria ortopedia neurochirurgia
• l’apatite non è tessuto inerte, ma gioca un ruolo
fondamentale nelle funzioni metaboliche del corpo
• la capacità di sequestrare i metalli pesanti è fondamentale
per il trasporto e l’assorbimento di specie tossiche nel
nostro corpo
• la presenza di alcune specie atomiche in tracce può inibire
o favorire la formazione di apatite.
BIOMINERALI CALCIO- FOSFATICI
Nome
Formula
Esempi
Idrossiapatite
Ca10(PO4)6(OH )2
Frazione inorganica di ossa e denti
(Mg2+, CO32-, (HPO4)2-)
Un tempo ritenuto il principale componente della frazione
minerale delle ossa; usato in alcuni particolari tipi di
protesi
Calcio fosfato Amorfo
(ACP)
Ottocalcio fosfato
Ca8H2(PO4)6.5H2O
Calcificazioni patologiche e forse fase intermedia nel
processo di precipitazione delle apatiti biologiche
Brushite
CaHPO4.2H2O
Calcificazioni patologiche
Mg- Whitlockite
Ca18Mg2H2(PO4)14
Calcificazioni patologiche
Calcio pirofosfato
biidrato triclino o
monoclino
Ca2P2O7.2H2O
Caratteristico delle articolazioni: ginocchia e altre grandi
articolazioni periferiche
Tetracalciofosfato
Ca4(PO4)2O
Usato in alcuni cementi
Monetite
CaHPO4
Usato in alcuni cementi
- e -tricalciofosfato
- e - Ca3(PO4)2
Usato in alcuni cementi
BIOAPATITI
• Le principali caratteristiche delle bioapatiti sono:
• piccole dimensioni dei cristalli e quindi difficoltà
a determinare la struttura attraverso i metodi
diffrattometrici
• area superficiale molto elevata, almeno 100 m2/g
perciò una frazione considerevole degli ioni
occupa posizioni superficiali che rende difficile
correlare la composizione chimica con la possibile
struttura cristallografica.
• Forte orientazione dei cristalli
apatite
osso
BIOAPATITI
• Le principali differenze tra il minerale apatite s.s.
e le bioapatiti sono: rapporto Ca/P variabile,
presenza di CO32- e HPO42• La seguente formula esprime con un buon grado di
approssimazione la situazione
• Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x con 0≤x≤1
• L’analisi Rietveld indica che:
• la perdita di Ca avviene principalmente dal sito Ca2 (cfr
relazione con perdita OH)
• la sostituzione Ca-Mg raggiunge al max il 10% e sembra che
entri in Ca2. E’ verosimile che ci sia un forte adsorbimento
superficiale di Mg dato che i tessuti mineralizzati contengono
significative quantità di Mg
DALLA BIOAPATITE AI
BIOMATERIALI
ATTRAVERSO LA SINTESI
• SIMILITUDINE TRA IDROSSIAPATITE E FRAZIONE
MINERALE DELLE OSSA SUGGERISCE UNA INTRINSECA
BIOCOMPATIBILITA’ DELL’APATITE
– le apatiti giocano un ruolo chiave negli impianti biomedici
– Già trent’ anni fa l’impianto di materiale calciofosfatico per
sostituire tessuti danneggiati ha dato l’impulso per lo sviluppo di
produzione di materiali artificiali ai fine terapeutici
• Questo ha contribuito a un incremento della vita media, almeno nel
cosiddetto mondo sviluppato
• Il giro d’affari pertinente ai biomateriali è dell’ordine di milioni di
dollari per anno
DALLA BIOAPATITE AI
BIOMATERIALI
ATTRAVERSO LA SINTESI
• La capacità di produrre materiali artificiali che provochino una
eccellente risposta nell’interazione con i tessuti ha fornito lo
stimolo e la necessità per lo sviluppo della produzione di
idrossiapatite meglio, più in generale, di apatiti per applicazioni
biomediche
• Il primo passo per la produzione di biomateriali sta nell’abilità di
sintetizzare polveri di apatiti monofasiche e riproducibili
• In commercio esistono apatiti di composizione chimica molto
variabile e poichè ogni produttore di protesi vuole la certezza della
qualità del materiale prodotto generalmente avvia la catena di
sintesi in proprio
NUOVI MATERIALI CALCIO-FOSFATI
Biomateriale:
In base alla
risposta ossea:
• Osteofilico
• Biotollerato
• Osteoinduttivo
• Bioinerte
• Osteoconduttivo
• Bioattivo
Ca5( PO4 )3OH
idrossiapatite
SINTESI DI APATITI
• Per rispondere alle esigenze “di mercato”
i processi di sintesi delle apatiti devono
essere in grado di produrre
• Variazioni controllate e controllabili di
composizione chimica
• Differenti forme: cementi o cristalli
• Cristalli con dimensioni e morfologia
variabili
METODI DI SINTESI
• Molti e differenti sono i metodi di sintesi
precipitazione da soluzione
– Il metodo consiste nella contemporanea aggiunta di un sale di calcio e
un composto fosfatico all’acqua. In alternativa il processo può
avvenire per aggiunta goccia a goccia di un fosfato a una soluzione
acquosa di un sale di calcio, in condizioni controllate di Temperatura
e pH
• reazione allo stato solido
– Il metodo consiste nel mescolamento meccanico di reagenti solidi e nel
successivo riscaldamento ad alte Temperature (>1000°C)
• sintesi per via idrotermale
– Il metodo consiste nel sottoporre a 817 atm una sospensione di carbonato
di Calcio e di di-ammonio idrogeno fosfato e riscaldato a 275°C
• idrolisi di fosfati di calcio
• metodi sol-gel
Reazione allo stato solido
fluoroapatite sintetizzata per reazione allo stato
solido T=1200 °C t=1h
fluoroapatite calcinata T=1000 °C t=1h
fluoroapatite preparata per via umida T=80°C t=16h
idrossiapatite calcinata T=1000 °C t=1h
idrossiapatite preparata per via umida T=80°C t=16h
(Wei et al., 2003)
(Ahn et. al., 2000)
SINTESI PER VIA UMIDA
 Il primo metodo consiste nella contemporanea aggiunta di un sale
di calcio e un composto fosfatico all’acqua. In alternativa il
processo può avvenire per aggiunta goccia a goccia di un fosfato a
una soluzione acquosa di un sale di calcio.
 I composti di calcio maggiormente utilizzati sono: nitrato di calcio
Ca(NO3)2.4H2O, idrossido di calcio Ca(OH)2, cloruro di calcio
CaCl2, acetato di calcio Ca (CH3COO)2.H2O
 I composti fosfatici sono: di-ammonio idrogeno fosfato
(NH4)2HPO4 o acido ortofosforico H3 PO4
 Le reazioni ad esempio possono essere: reazione di nitrato di Ca
con di-ammonio idrogeno fosfato; oppure aggiunta di acido
ortofosforico a idrossido di Ca
SINTESI PER VIA UMIDA
 La reazione di precipitazione viene eseguita con reagenti puri a pH>9
con velocità di aggiunta dei reagenti controllata e mescolando la
soluzione a Temperatura tra 25 e 90°C. La resa del processo,
misurato sulla base della stechiometria dei reagenti, può essere molto
variabile: 87% quando acido ortofosforico ha reagito con idrossido
di Calcio alla velocità di produzione di 50 g/hr; per simile velocità
di produzione la reazione tra nitrato di Ca e di-ammonio-idrogeno
fosfato ha una resa del 29%.
 Nelle reazioni dove l’ammonio è parte del precursore si deve
aggiungere in continuazione idrossido di ammonio diluito per
mantenere costante il pH, perché l’impoverimento in idrossido di Ca
della soluzione dovuto alla precipitazione dell’apatite ne fa abbassare il
valore.
SINTESI PER VIA UMIDA
 Il lento ingresso di Ca nella struttura dell’apatite deve essere
accompagnato da agitazione e tempo di maturazione dopo la reazione.
 Il tempo di maturazione post-reazione è fondamentale per ottenere
apatite stechiometrica.
 Il rapporto Ca/P=1.67 si ottiene dopo 5 ore dalla fine della reazione
per T=90°C. Durante la maturazione anche la forma dei cristalli
cambia: diventano progressivamente ad abito più tozzo.
 Dopo la maturazione il prodotto viene lavato diverse volte in acqua
distillata il cui pH può essere aggiustato per aggiunta di ammoniaca.
 La purezza dell’acqua è fondamentale perché in questa fase il reticolo
dell’apatite è ancora in grado di acquisire ioni estranei,
compromettendo quindi il lavoro.
 Infine il precipitato viene seccato e calcinato.
SINTESI PER VIA UMIDA
(Jha et al., 1997)
SINTESI PER VIA UMIDA
(a) T=3°C
(c) T= 60°C
(b) T= 25°C
Immagini TEM di HA025F
prodotta a differenti
Temperature (Jha et al.,
1997)
SINTESI PER VIA UMIDA
 La facilità di inglobare ioni estranei
 motore
per
lo
studio
del
comportamento
cristallochimico di sostituenti che normalmente si
trovano nella frazione apatitica di ossa e denti
 conoscenza di questo usata per migliorare le proprietà
di solubilità, comportamento meccanico e resistenza dei
biomateriali stessi
 I principali sostituenti sono: F- CO32- Mg2+
Zn2+ Fe2+ Fe3+ Si4+ Sr2+
l’aggiunta di questi elementi alla soluzione, diminuisce
la velocità di crescita a basse concentrazioni
La sostituzione completa OH----F produce apatite più
stabile e quindi la reazione di precipitazione è più facile
SINTESI PER VIA UMIDA
• Problema della ricerca di base: individuare i
limiti di solubilità dei diversi elementi o gruppi
c’è molto da fare e qui il contributo di mineralogia
e cristallochimica è fondamentale
• Obiettivo della ricerca applicata: preparare
apatiti drogate con elementi chimici che di norma
non si trovano nella frazione apatitica delle ossa,
ma che possono avere risvolti sanitari importanti
ad es: l’aggiunta di Ag conferisce proprietà
antimicrobiche
SINTESI PER VIA UMIDA
• La cristallinità varia considerevolmente in
funzione delle condizioni di sintesi: alta
cristallinità se il materiale è trattato ad alta
temperatura;
– bassa
cristallinità
fornisce
una
maggior
riassorbibilità del materiale e quindi più utile per le
applicazioni biomediche Ecco perché oggi parliamo
essenzialmente di sintesi per via umida
– Da notare che sintesi a T=90°C produce apatite più
pura e a maggior cristallinità rispetto alla sintesi a
temperatura ambiente. La cristallinità aumenta in
presenza di Sr e F
SINTESI PER VIA UMIDA
(Zhang et al., 2005)
Modifica alla morfologia dei cristalli
Variazioni all’intensità dei massimi di diffrazione
in funzione delle condizioni di sintesi
SINTESI PER VIA UMIDA
Variazioni della
morfologia dei
cristalli in funzione
del grado di
fluorurazione
(Zhang et al., 2005)
SINTESI PER VIA UMIDA
Variazioni della
morfologia dei
cristalli in funzione
del diverso pH
(Zhang et al., 2005)
AI
BIOMATERIALI