Atividade eletromecânica da hidroxiapatite para a regeneração óssea

Abstract

O interesse pela aplicação de biomateriais para substituição e regeneração óssea aumentou significativamente na última década. A hidroxiapatite [HAp; Ca10(PO4)6(OH)2] é considerada um dos biomateriais mais promissores, devido à sua biocompatibilidade, bioatividade e osteocondutividade. O osso exibe um comportamento piezoelétrico e, como tal, desenvolve carga elétrica sob a aplicação de tensão mecânica e vice-versa, pensando-se que tal comportamento influencia a atividade de formação óssea. As propriedades elétricas da HAp preparada na forma de monolítico e na forma de filme fino têm sido estudadas nos últimos anos. Neste âmbito, foi referido que a HAp não apresenta resposta piezoelétrica. No entanto recentemente um coeficiente piezoelétrico foi reportado para filmes finos de HAp preparados pelo método sol gel. Perante esta aparente contradição pretende-se com este trabalho averiguar a existência de atividade piezoelétrica em monolíticos de HAp e comparar a sua resposta com a dos filmes finos, com o objetivo de contribuir para o esclarecimento destas diferenças de comportamento. Assim, prepararam-se monolíticos de HAp por prensagem uniaxial de pós através da mistura convencional de óxidos, seguido de uma caracterização morfológica por SEM, caracterização estrutural por DRX e caracterização dieléctrica através da medição de permitividade dielétrica, perdas dielétricas, resistividade elétrica e coeficiente piezoelétrico . Cerâmicos com densidade final de 96% apresentaram valores de permitividade dielétrica de 13, perdas dielétricas de 0,6 e uma resistividade elétrica na ordem dos Ωm para a frequência de 1MHz. Estes monolíticos apresentaram comportamento piezoeletrico nulo ( = 0 pC/N). Replicou-se a metodologia reportada na literatura relativa à preparação de filmes finos de HAp por sol gel, nos quais se mediu pela primeira vez um coeficiente piezoelétrico . A caraterização estrutural por DRX do filme fino obtido mostrou que o mesmo se apresentou sempre amorfo, não se conseguindo assim a sua caraterização dielétrica, contrariando o que é reportado na literatura relativamente à existência de um coeficiente piezoelétrico em filmes finos de HAp. Assim, concluiu-se que será necessário um estudo mais aprofundado e uma pesquisa mais criteriosa sobre a possibilidade de actividade piezoeléctrica da HAp. No estágio actual de conhecimento parece assim razoável continuar a admitir-se que o comportamento piezoelétrico exibido pelo osso deve ser fundamentalmente atribuído à presença das fibras de colagéneo e não da fase inorgânica de hidroxiapatite.

The interest on biomaterials for bone replacement and regeneration has increased significantly in the last decade. Hydroxyapatite [HAp; Ca10(PO4)6(OH)2] is considered one of the most promising biomaterials due to its biocompatibility, bioactivity and osteoconductivity. The bone displays a piezoelectric behavior and therefore develops electric charges under the application of mechanical stress. This behavior influences the activity of bone formation. The electrical properties of HAp prepared as monolithic materials or as thin films have been studied in recent years. In this context, it has been referred that no piezoelectric response is exhibited by HAp. However a piezoeletric coefficient has recently been reported for HAp thin films prepared by the sol gel method. The purposes of the present work is to ascertain the existence of piezoelectric activity in bulk HAp and compare its response with the one exhibited by HAp thin films aiming to contribute for the understanding of those apparently contradictory behaviors. HAp as monolithic material was prepared by uniaxial pressing of powders produced by conventional mixing of oxides. Morphological characterization was assessed by SEM, crystalline phases were identified by XRD and for the dielectric characterization measuring of dielectric permittivity, dielectric losses, electrical resistivity and piezoelectric coefficient were performed. Ceramics with final density of 96% exhibited a dielectric permittivity of 13, dielectric losses of 0,6 and electrical resistivity around Ωm for 1MHz frequency. No piezoelectric behaviour ( = 0 pC/N) was found in these HAp monolithics. The next step in this work was to replicate the methodology reported in the literature on the preparation of HAp thin films by the sol gel technique aiming to measure a piezoelectric coefficient , as reported for the first time in the literature for HAp in film. Contrarily to what is claimed in the literature the obtained HAp thin films were essentially amorphous for all heat treatments performed and no reliable dielectrical characterization was achieved. Thus, it was concluded that a deeper study and a more thorough research on the possibility of piezoelectric activity of HAp should be carried out. At the present stage of knowledge it seems reasonable to assume that the piezoelectric behavior exhibited by the bone might be primarily attributed to the presence of collagen fibers rather than to its inorganic phase - HAp.