Chemical preparation and properties of calcium phosphate based materials for biomedical applications

Abstract

Calcium phosphate-based materials, in particular hydroxyapatite-based ones,are among the most important materials for biomedical applications (bone graftsubstitutes, drug delivery systems, etc.). Owing to their compositional similaritywith respect to hard tissues, these materials show superior bioactive,osteoconductive, cell seeding and growth environment properties. Additionally,their capability to adsorb biological important substances like proteins, drugs,etc. makes them interesting materials to be used as drug delivery systems. Several studies on the effects of morphological aspects like particle size,shape, pore size and pore volume on the biological behaviour of calciumphosphate-based materials have shown that the properties of these materialscannot be considered merely on compositional aspects, but the role ofmorphological issues must also be taken into consideration. In the present work, calcium phosphate particles with a wide range of sizeswere produced by precipitation in calcium/citrate/phosphate solutions. It wasobserved that the manipulation of experimental conditions, namely the citrate-calcium ratio (Cit/Ca) and the pH of the solution, allowed to producehydroxyapatite particles either as nanosized particles, either as micrometricsized aggregates with particular shapes. The different sizes and shapes wereanalyzed in the framework of nucleation and growth phenomena and henceattributed to the development of different particle surface charge conditionsrelated to the adsorption of differently charged citrate species. The study of the preparation of calcium phosphate porous granules by spraydrying the suspensions of the various precipitated hydroxyapatite particles wasalso undertaken in the present work. The obtained results showed that thedifferent morphologies of the suspended hydroxyapatite particles havesignificant effects on the spray dried granules’ morphology and microstructure,thus accounting for different pore size and pore size distributions. Moreover,the study of the spray dried granules heat treatment demonstrated that not onlythe granules’porosity may be further modified but also its crystal phasecomposition. In view of the potential applications of the porous materialsprepared in this work such as drug, growth factors and stem cells carriers or aspromoter of cell adhesion, the present study points out to a wide range ofpossibilities for producing calcium phosphate porous granules with a differentschedule of morphological characteristics.

Os materiais fosfo-cálcicos, particularmente aqueles à base de hidroxiapatite, são dos mais importantes para aplicações biomédicas, como por exemplo, a substituição óssea e os sistemas de libertação controlada de fármacos. Este facto deve-se principalmente à semelhança da sua composição com a parte inorgânica do tecido ósseo. É esta semelhança que está na origem dasnotáveis propriedades biológicas destes materiais, tais como: excelente bioactividade e osteoconductividade. Por outro lado, estes materiais possuem ainda a capacidade de adsorver substâncias com interesse biológico,(proteínas, drogas, etc.) o que os torna interessantes como sistemas delibertação controlada de fármacos. No entanto, alguns estudos têmdemonstrado que o comportamento biológico dos materiais fosfo-cálcicos não depende apenas da sua composição mas também de aspectos morfológicos, tais como: tamanho e forma departícula, tamanho e volume de poro, etc. No presente trabalho produziram-se, por precipitação a partir de soluções de cálcio/citrato/fosfato, partículas de fosfato de cálcio com uma grandediversidade de tamanhos. Observou-se que a manipulação das condiçõesexperimentais, nomeadamente a razão citrato/cálcio (Cit/Ca) e o pH dasolução, possibilitaram a produção de partículas de hidroxiapatite, quer na forma de partículas com tamanhos nanométricos, quer na forma de agregados micrométricos com formas peculiares. A variedade de tamanhos e formas daspartículas produzidas foi analisado no contexto dos fenómenos de nucleação e crescimento, tendo sido atribuídaao desenvolvimento de diferentes condições de carga superficial devidas à adsorção de espécies iónicas de citrato com diferentes cargas. No presente trabalho desenvolveu-se também o estudo da preparação de grânulos porosos de fosfato de cálcio, por atomização de suspensões de partículas de hidroxiapatite com diferentes morfologias. Os resultados obtidosmostraram que a utilização de partículas com diferentes morfologias influenciasignificativamente a morfologia e microestrutura dos grânulos atomizados, oque origina grânulos com diferentes tamanhos e distribuição de tamanho deporos. Além disso, demonstrou-se que o tratamento térmico permite modificar não só a porosidade dos grânulos, mas também a sua composição cristalina.Tendo em vista as potenciais aplicações dos materiais porosos preparadosneste trabalho, tais como sistemas de libertação controlada de fármacos,factores de crescimento e de células estaminais ou como promotores daadesão de células, o presente trabalho sugere a possibilidade de produção de grânulos de fosfato de cálcio com uma vasta multiplicidade de características morfológicas.