Cementos Fosfato de Calcio

Cementos de Fosfato de Cálcio. Clasificación. Métodos de síntesis de Hidroxiapatita.

1. CEMENTOS
DE
FOSFATO DE CALCIO
Clasificación, aplicaciones y Síntesis
José María Cruz Oria
Master de Ciencia y Tecnología de Nuevos Materiales. Curso 2016/2017
1

2. ÍNDICE
•Definición de Cementos de Fosfato de Calcio
•Clasificación
•Hidroxiapatita
•Relación entre propiedades, características y métodos de síntesis
•Métodos de Síntesis de Hidroxiapatita.
•Elección de métodos de síntesis a desarrollar.
•Método de Hidrólisis
•Métodos Vía Seca
•Método Sol-Gel
2

3. DEFINICIÓN
•Polvo o mezcla de polvos que, al mezclarse con agua,
dan lugar a una pasta que reacciona a temperatura
ambiente (o corporal) y fragua mediante la formación
de un precipitado que contiene cristales de uno o más
fosfatos de calcio, y endurece por el entrecruzamiento
de los cristales de dicho precipitado. [1]
¿POR QUÉ SON INTERESANTES?
•Permiten disponer de unos materiales totalmente
biocompatibles para el recubrimiento de componentes
estructurales o el relleno de cavidades óseas a
voluntad, endureciendo en el lugar de la aplicación. [2]
3

4. Clasificación Tipo
Por su fuente
Naturales
Sintéticos
Por su rol Biológico
Tóxico
Bio-inerte
Bio-activo
Bio-reabsorbible
Por su tiempo de uso y funcionamiento
Temporales
Permanentes
Por su composición
Cerámicos
Polímeros
Metálicos
Compuestos
Por estructura
Bulk
Recubrimientos
Porosos
4
CLASIFICACIÓN DENTRO DE LOS
MATERIALES BIOCOMPATIBLES

5. CEMENTOS DE FOSFATO DE
CALCIO: COMPUESTOS
•En función de la relación Ca/P:
Relación Ca/P Compuesto AcrónimoFórmula
Química
0,50 Calcio fosfato mono básico 1-hidratoMCPM Ca(H2PO4)·H2O
1,00 Hidrogeno fosfato de calcio o monetitaDCPA CaHPO4
1,00Hidrogeno fosfato de calcio dihidrato o brushitaDCPD CaHPO4·2H2O
1,33 Octocalcio fosfato OCPCa8H2(PO4)6·5H2O
1,50 Apatita calcio deficienteDCA Ca9H(PO4)6·(OH)
1,50 Tri-calcio fosfato-alfaα-TCP Ca3(PO4)2
1,50 Tri-calcio fosfato-betaβ-TCP Ca3(PO4)2
1,67 Hidroxiapatita HA Ca10(PO4)6·(OH)2
2,00 Tetra-calcio fosfatoTTCP Ca4(PO4)2O
[1] 5

6. CEMENTOS DE FOSFATO DE
CALCIO: COMPUESTOS
•En función de la relación Ca/P:
Relación Ca/P Compuesto AcrónimoFórmula
Química
0,50 Calcio fosfato mono básico 1-hidratoMCPM Ca(H2PO4)·H2O
1,00 Hidrogeno fosfato de calcio o monetitaDCPA CaHPO4
1,00Hidrogeno fosfato de calcio dihidrato o brushitaDCPD CaHPO4·2H2O
1,33 Octocalcio fosfato OCPCa8H2(PO4)6·5H2O
1,50 Apatita calcio deficienteDCA Ca9H(PO4)6·(OH)
1,50 Tri-calcio fosfato-alfaα-TCP Ca3(PO4)2
1,50 Tri-calcio fosfato-betaβ-TCP Ca3(PO4)2
1,67 Hidroxiapatita HA Ca10(PO4)6·(OH)2
2,00 Tetra-calcio fosfatoTTCP Ca4(PO4)2O
6[1]

7. HIDROXIAPATITA (HA)
•La HA es el principal componente inorgánico de
los tejidos duros (huesos y dientes) tanto humanos
como animales.
•La HA sintético muestra una alta biocompatibilidad
y elevada osteointegración.
•Por ser el menos soluble de los CFC, en casi todo el
rango de pH, presenta mejores cualidades para su
uso como biomaterial.
7
Ca10(PO4)6·(OH)2
[2]

8. RELACIÓN MÉTODOS DE SÍNTESIS,
CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES
Cuando se habla de polvos nano o micro, la morfología y
dimensiones de las partículas son los factores más importantes
Propiedades
Resistencia Mecánica
Toxicidad
Osteointegrabilidad
BiorestaurabilidadSíntesis
Vía Seca
Vía Húmeda
Alta Tª
Desde Ftes. Bio
Combinados
Características
Morfología
Estequiometría
Estructura Cristalográfica
Pureza
[3]

9. MÉTODOS DE SÍNTESIS DE HA
GrupoMétodo
Aspectos del Proceso Características del Polvo
Nº ReactivosCosteMorfologíaCristalinidadPureza fasesCa/P RatioTamaño
Distribución
de Tamaño
SECOS
Estado SólidoPocosBajoDiversaMuy altaN. BajaVble.N. !mAncho
MecanoquímicoPocosBajoDiversaMuy AltaBajaN. No EstequionmN. Ancho
HÚMEDOS
Pptción. Quím.F. PocosBajoDiversaF. BajaVble.No EstequioN. nmVble.
HidrólisisPocosN. AltoDiversaVble.N. AltaEstequioVble.Vble.
Sol-GelVble.Vble.DiversaVble.Vble.Estequionm Estrecho
HidrotermalVble.N. AltoF. AgujasMuy AltaN. AltaEstequio!m

y nmN. Ancho
EmulsiónVariosAltoF. AgujasF. BajaVble.No Estequionm Estrecho
SonoquímicoPocosN. BajoDiversa
(N. Agujas)Vble.N. AltaVble.nmN. Estrecho
ALTA Tª
CombustiónPocosN. BajoDiversa
(N. Irregular)
Vble.N. AltaVble.N. nmAncho
PirólisisVble.N. BajoDiversaAltoVble.No Estequionm

aglomVble.
Síntesis desde fuentes BiogénicasPocosN. BajoDiversaVble.N. AltaVble.Vble.Vble.
Procedimientos combinadosVble.Vble.Diversa
(F. Agujas)F. AltaN. AltaNo EstequioN. nmVble.
F. = FrecuentementeN. = Normalmente
9[3]

10. FORMAS DE LAS PARTÍCULAS EN
FUNCIÓN DEL MÉTODO DE SÍNTESIS
10
Formas
Nombre
irregular,
formless,
sphere
sphere, ball
rod, needle,
tube, filament,
fiber, wire,
whisker, prism,
worm,
hexagonal
plate, flake,
sheet
self-assembled
nanorods,
bundles of
nanorods,
oriented
bundle,
oriented raft,
enamel prism-
like structures,
clusters of
nanotubes,
oriented array
of bundled
needles, packed
nanorods
dandelion,
chrysanthemu
m, flower,
feathery
structure,
bundle of
fibers,
selfassembled,
nanorods,
rosette
leaf, flake, sheet,
plate
flower
porous
microsphere,
mesoporous
sphere
bowknot, self-
assembled
nanorods
dumbbell
Método
de
Síntesis
ss, mch, cc,
hl, sg, hth,
em,
sch, ht, bs,
cp
mch, cc, sg,
hth, em,
sch, ht, bs,
cp
ss, mch, cc,
hl, sg, hth,
em,
sch, ht, bs,
cp
cc, hth, bs,
cp
cc, hl, hth,
bs, cp
hth, em, bs,
cp
cc, hl, cpcc, hth, bshth, cpcp cc
* ss: solid-state synthesis, mch: mechanochemical method, cc: conventional chemical precipitation, hl: hydrolysis method, sg: sol–gel method,
hth: hydrothermal method, em: emulsion method, sch: sonochemical method, ht: high-temperature processes, bs: synthesis from biogenic
sources, cp: combination procedures.
[3]

11. ELECCIÓN DE LOS MÉTODOS
DE SÍNTESIS
11[3]

12. ELECCIÓN DE LOS MÉTODOS
DE SÍNTESIS
12
•Se desarrollarán los siguientes
métodos de síntesis:
•Método Hidrólisis
•Método en estado sólido
•Método Sol-Gel
[3]

13. SÍNTESIS DE HA
MÉTODOS DE HIDRÓLISIS
13
•Rutas sintéticas posibles:
•10 DCPA + 2H
2O ➔ HA + 4H
3PO
4
•10 DCPA + 12OH
-
➔ HA + 4PO
4
3-
+10H
2O
•6 DCPA + 4Ca(OH)
2 ➔ HA + 6H
2O
•6 DCPA + 4CaCO3 + H2O ➔ HA 4H
2CO
3
•10 DCPD ➔ HA +18H2O +12H
+
+ 4PO
4
3-
•6 DCPD + 4Ca(OH)
2 ➔ HA +18H
2O
•10 TCP + 6H
2O ➔ 3HA +2PO3?4 + 6H
+
•10 TCP + 6OH ➔ 3HA + 2PO
4
3-
•En orden de basicidad:
H3P04 < MCPM < DCP = DCPD < OCP < "-TCP = β-TCP = CDHA < PHA = HA < TTCP < CaO
Las estabilidades relativas entre las distintas sales serán la fuerza motriz de las posibles reacciones químicas
[3] [2] [4]

14. SÍNTESIS DE HA
MÉTODO DE HIDRÓLISIS
•Procedimiento:
•Hidrólisis directa con agitación a distintas temperaturas y tiempos
•Relación líquido:sólido 50:1
•Extracción de alícuotas,
•Filtrados con papel y secado
•Reacciones:
OCP+ 3TCP ➔ 2HA + 4H
20
[4]

15. SÍNTESIS DE HA
MÉTODO DE HIDRÓLISIS
[4]
•Productos obtenidos:
•HA en forma de agujas y glóbulos
•Alta pureza
•Alta cristalinidad
•Caracterización:
DRX, SEM

16. •Parámetros a controlar
•Concentración de Ca
2+
•Temperatura de la hidrólisis.
•pH. valores elevados mejoran la cinética y mejoran el
control de la morfología.
•Cristalinidad de los productos de partida. Más cristalinidad
implica menos reactividad.
•Superficie específica.
SÍNTESIS DE HA
MÉTODO DE HIDRÓLISIS
16[4]

17. SÍNTESIS DE HA
MÉTODOS VÍA SECA
•Rutas sintéticas posibles:
•6DCPD + 4CaCO3 ➔ HA+ 4CO2 + 14H2O
•6DCPA + 4CaCO3 ➔ HA + 4CO2 + 2H2O
•6DCPA + 4Ca(OH)2 ➔ HA+ 6H2O
•3TCP + Ca(OH)2 ➔ HA+ 6H2O
•Partiendo de varios CFC ➔ HA
17[5]

18. SÍNTESIS DE HA
MÉTODOS VÍA SECA
•Procedimiento:
•Mezcla en crisol guardando una relación Ca/P 1,61.
•Molienda húmeda (HF) en molino de bolas durante 16h.
•Secado a 80ºC durante 3h.
•Compactado de los polvos obtenidos usando distintas presiones y tiempos (forma
cilíndrica) a Tª ambiente
•Sinterizado en aire a distintas temperaturas (500ºC, 800ºC y 1250ºC)
•Remolido del sintetizado
•Compactado y Sinterizado de nuevo a 1250 ºC
18
Ruta de Síntesis:
Varios CFC + (SiO2) ➔ α-TCP ➔ HA
[5]

19. •Caracterización del sintetizado:
•DRX, TGA, DTA, FTIR, SEM, Resistencias mecánicas,
Biocompatibilidad in vitro.
SÍNTESIS DE HA
MÉTODOS VÍA SECA
•Observaciones experimentales TGA/DTA
•Transiciones de fases a 380, 600 y 1063 ºC
•Fases encontradas en DRX:
•Muestra mezclada y molida sin sinterizar: DCPA y DCHA
•Sinterizado a 500ºC - β-Ca2P2O7 y DCHA
•Sinterizado a 800ºC - β-TCP y β-Ca2P2O7
•Sinterizado a 1250ªC - α-TCP
•Remolido y sinterizado a 1250ºC: β-TCP
•Observaciones experimentales SEM:
•CaO libre tras la primera sinterización
[5]

20. •Productos obtenidos:
•β-TCP/HA con una relación Ca/P de 1,61
•Resistencias a compresión máximas de ?270MPa
•Módulo de Young máximo de ?20GPa
•Granos de 7-8 !m bien conectados
•Porosidad del ?42%
SÍNTESIS DE HA
MÉTODOS VÍA SECA
20[5]
•Parámetros de Control:
•Presión de compactado en frío (de 46 a 135 MPa). Mayor
presión de compactado ofrece mayor resistencia a compresión
•Temperatura y tiempo de sinterización.
Mejorando la cristalinidad y la pureza
•Mezclado, Molienda

21. SÍNTESIS DE HA
MÉTODOS SOL-GEL
•Rutas sintéticas posibles:
•Fuentes de Ca: Ca(OEt)2, Ca-acetato, Ca(NO3)2, …
•Fuentes de P: P(OEt)3, (NH4)HPO4, P2O5, …
•Solventes: H2O, EtOH, …
21[6]

22. •Procedimiento:
•P
2
O
5
disuelto en Etanol
•Ca(NO
3
)
2
·4H
2
O en Etanol.
•Relación Ca/P de 1,67
•Mezcla durante 10 minutos a Tª ambiente
•Calentamiento de la disolución a 60ºC durante 1 hora.
•Envejecido a 4, 48 y 72 horas
•Secado a 80ºC durante 24h
•Calentamiento a distintas temperaturas (dede 600 a 900ºC)
22
SÍNTESIS DE HA
MÉTODOS SOL-GEL
Ruta de Síntesis:
6Ca(NO3)2 + 6(C2H5O)3P(O) ➔ HA + (subproductos)
[6]

23. •Caracterización del Sinterizado:
•DRX, TEM
•Productos obtenidos:
•HA (obtenido a 700ºC)
•HA, β-TCP y CaO (obtenido por encima de 700ºC)
•Partículas entre 10 y 80 nm, en función del tiempo de envejecimiento, con forma
de elipse.
23
SÍNTESIS DE HA
MÉTODOS SOL-GEL
[6]

24. •Temperatura de sinterización:
•Reacciones de descomposición de la HA por encima de 800ºC.
Temperaturas altas empeoran la pureza de la fase HA
•Mayor grado de cristalinidad a mayor Tª.
24
SÍNTESIS DE HA
MÉTODOS SOL-GEL
•Parámetros de Control:
•Tiempo de envejecimiento
•a 700ºC, se obtiene sólo HA
•a 800ºC, se obtienen otras fases
•Leve mejora en la pureza al aumentar los
tiempos de envejecimiento
•Aumento del tamaño de las partíaulas
•Rampa de Tª en la sinterización
•Tª de envejecimiento
[6]

25. BIBLIOGRAFÍA
•[1] Driessens, F.C.M. et al. No publicado. “Desarrollo de nuevos cementos óseos a base de fosfato de calcio:
resumen de un estudio piloto”
•[2] Villora, J.M., Callejas, P. & Barba, M.F., Cerámica y Vidrio Métodos de síntesis y comportamiento térmico del
Hidroxiapatito.
•[3] Sadat-Shojai, M. et al., 2013. Synthesis methods for nanosized hydroxyapatite with diverse structures. Acta
Biomaterialia, 9(8), pp.7591–7621. Available at: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1742706113001840
[Accessed January 28, 2017].
•[4] Graham, S. & Brown, P.W., 1996. Reactions of octacalcium phosphate to form hydroxyapatite. Journal of
Crystal Growth, 165(1), pp.106–115.
•[5] Pramanik, S. et al., 2007. Development of high strength hydroxyapatite by solid-state-sintering process.
Ceramics International, 33(3), pp.419–426.
•[6] Feng, W. et al., 2005. A simple sol–gel technique for preparing hydroxyapatite nanopowders. Materials
Letters, 59(8–9), pp.916–919. Available at: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0167577X04009097
[Accessed February 4, 2017].
•[7] Cama, G., 2014. 1 - Calcium phosphate cements for bone regeneration,
•[8] Fernández Aguado, E., 2008. Obtención y caracterización de nuevos cementos óseos de fosfatos de calcio
en el sistema CaHPO4--- -Ca3 (PO4)2. TDX (Tesis Doctorals en Xarxa), 1.
25

26. GRACIAS
26