SINTESI E CARATTERIZZAZIONE DI APATITI CON FINALITA’ BIOMEDICHE 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-) Calcio fosfato Amorfo (ACP) Un tempo ritenuto il principale componente della frazione minerale delle ossa; usato in alcuni particolari tipi di protesi 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 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 - e -tricalciofosfato - e - Ca3(PO4)2

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

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 (Wei et al., 2003) 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

(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 (b) T= 25°C (c) T= 60°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 Modifica alla morfologia dei cristalli (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