UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ZARAGOZA Ingeniería Química Integrantes: Profesora: Laboratorio y Taller de Proyectos de 5to Semestre Hidroxiapatita Módulo: Manejo de equipo Grupo:
RESUMEN La hidroxiapatita actualmente es un biomaterial objeto de múltiples estudios de gran importancia en diferentes ramas de la medicina tales como, la ortopedia y la odontología. En esta investigación se aplicaron tres tratamientos térmicos consecutivos a cáscaras de huevo de gallina, con el fin de usar el Carbonato de Calcio proveniente de las mismas y así sintetizar hidroxiapatita mediante el uso de combustión a altas temperatura. Éste proceso es sencillo en comparación a otros. Finalmente, el producto obtenido después de la reacción de combustión fue caracterizado por los métodos de difracción de rayos X (DRX) y fluorescencia de rayos X (XFR). Palabras Clave: Hidroxiapatita, Cascara de huevo, Combustión, Difracción de rayos X
ABSTRACT Hidroxyapatite is a biomaterial that has been subject of many studies of great importance in different branches of medicine such as orthopedics and dentistry. In this research, three consecutive heat treatments were applied to chicken eggshells in order to use the Calcium Carbonate from them so the Hidroxyapatite can be synthesize by using combustion at high temperature. This process is easier than others. Finally, the product obtained after combustion reaction was characterized by X-ray diffraction (XRD) and X-ray fluorescence (XRF) methods. Keywords: Hydroxyapatite, Eggshell, Combustion, X-ray diffraction.
OBJETIVO GENERAL Dimensionar el equipo industrial para la obtención de la Hidroxiapatita a partir del método de Químico-húmeda en solución acuosa analizando operaciones unitarias involucradas en este proceso y aplicando los conocimientos previos de las materias Balance de masa y energía, y Fenómenos de transporte del cuarto semestre de la carrera de I.Q., así como también los conocimientos en curso de las materias en curso, Flujo de fluidos y Diseño de equipo del quinto semestre.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Conocer los procesos industriales y sus equipos que se involucran en la obtención de hidroxiapatita como Químico- húmeda n solución acuosa, sol -gel, hidrotermal y a la vez seleccionar un proceso. 2. Conocer las especificaciones y normas en el diseño de equipo para la obtención de hidroxiapatita a partir del proceso Químico húmedo en solución acuosa. 3. Dimensionar el equipo adecuado para la obtención de hidroxiapatita tomando en cuenta los conocimientos adquiridos de las materias de balance de energía, así como flujo de fluidos y diseño de equipo.
INTRODUCCION La hidroxiapatita (HAp) es el principal constituyente mineral de los huesos y de los dientes de los vertebrados. Se ha documentado que las nanopartículas de HAp pueden aumentar significativamente la biocompatibilidad y bioactividad de los biomateriales artificiales (Sadat-Shojai et al., 2013). Durante la última década, la demanda de las nanopartículas de HAp ha sido muy alta, por lo que se han dedicado grandes esfuerzos para desarrollar rutas de síntesis, con viabilidad científica, técnica y económica. También se han hecho varias investigaciones para determinar cómo las propiedades críticas de la HAp, se pueden controlar eficazmente mediante la variación de los parámetros de procesamiento. Las sales de fosfato de calcio (CaP) son los principales componentes minerales de los huesos y dientes de los vertebrados. Entre las sales de CaP, se encuentra la hidroxiapatita (Ca10(PO4)6(OH)2, HAp), la cual es la fase cristalina termodinámicamente más estable de CaP en el líquido del cuerpo. Durante décadas, la HAp sintética, ha sido de gran interés debido a su excelente biocompatibilidad, la afinidad de biopolímeros y el alto potencial osteogénico. Se ha establecido que la HAp puede promover el crecimiento del hueso, a través de un mecanismo denominado “osteoconducción” sin causar ninguna toxicidad local o sistémica, ni inflamación o respuesta a cuerpos extraños. Cuando una cerámica basada en HAp es implantada, una capa fibrosa de tejido libre, que contiene las formas de apatita carbonatadas en sus superficies, contribuye a la unión del implante al hueso vivo, lo que resulta en la estabilización anterior del implante y la fijación superior a los tejidos circundantes. Por otra parte, varios estudios han demostrado que la HAp o sus derivados, se pueden explotar como compuestos modelo para el estudio de la biomineralización en el cuerpo humano. También se ha demostrado que las partículas de HAp inhiben el crecimiento de muchos tipos de células de cáncer. Actualmente, la HAp es el material de elección para diversas aplicaciones biomédicas, por ejemplo, como reemplazo para los defectos óseos y periodontales, la cresta alveolar, los implantes de oído medio, los sistemas de ingeniería de tejidos, agentes de administración de fármacos, materiales dentales y de revestimiento sobre implantes óseos metálicos. La importancia general de HAp y sus derivados también ha dado lugar a numerosas aplicaciones industriales y tecnológicos no médicos, por ejemplo, como catalizador para la adición de tipo Michael y la oxidación del metano, como materiales de acogida para los láseres, materiales de fluorescencia, conductores iónicos y sensores de gas. La HAp sintética también puede ser utilizada en cromatografía de columna de fraccionamiento simple y rápido de proteínas y ácidos nucleicos. Las nanopartículas de HAp, deben poseer dimensiones inferiores a 100 nm, estequiometrias adecuadas, actividad superficial y estructura ultra fina, tal como ocurre en los tejidos duros. Estas características son deseables en la totalidad de
las aplicaciones biomédicas, dado que así se facilita la osteointegración y la consiguiente formación del tejido óseo. Con el presente trabajo se pretende dimensionar los equipos involucrados en el proceso Quimico-Humedo en solución acuosa para la obtención de Hidroxiapatita, para ello se estudió y se seleccionó mediante las normas y códigos que más se adaptaron a este proceso para el diseño del equipo. Se aplicaron los conocimientos previos del módulo análisis de procesos dando prioridad a la materia de Balance de masa y energía para aplicarla al proceso y los conocimientos adquiridos en el módulo en curso, manejo de materiales, ya que en este módulo se cursa la materia de Diseño de equipo, Separación mecánica y mezclado y Flujo de fluidos, que son base importante de conocimientos que podemos aplicar.
ÍNDICE
Resumen Abstract Objetivos Introducción
CAPITULO I - Generalidades 1.1. Definición de Hidroxiapatita 1.1.1. Tipos de Hidroxiapatita 1.1.2. Características de la Hidroxiapatita 1.1.3. Usos y aplicaciones 1.2 Antecedentes Históricos 1.3 Importancia de la Hidroxiapatita en la Industria Química 1.4 Normatividad vigente 1.5 Métodos de obtención de la Hidroxiapatita
1.1. Definición de Hidroxiapatita La hidroxiapatita (HAP) es un biocristal, formado por átomos de calcio, fósforo, e hidrógeno, de acuerdo con la fórmula Ca10(PO4 )6 (HO)2. La HAP está presente en dientes y huesos confiriéndoles su dureza característica, pertenece a la familia de las apatitas, presenta una estructura hexagonal, con el grupo espacial P63 /m. En la naturaleza las apatitas se pueden encontrar formando parte de las rocas sedimentarias y metamórficas. En los huesos está siempre acompañada de estructuras orgánicas como la colágena. Otras apatitas de importancia biológica son la fluroapatita y la cloroapatita. Los principales componentes químicos de la hidroxiapatita son el calcio y el fosfato. Sin embargo, la HAP natural contiene porcentajes mínimos de sodio, cloro, carbonatos y magnesio, los cuales juegan un papel preponderante en la función remodeladora del hueso. 1.1.1. Tipos de Hidroxiapatita Las hidroxiapatitas sintéticas: Se obtienen a partir de fosfatos dicálcicos y tricálcicos a través de un proceso de síntesis relativamente simple, presentan una pobre resistencia mecánica, además de disolverse fácilmente, lo cual no es deseable para utilizarla como biomaterial de sustitución ósea. 1.1.2. Características de la Hidroxiapatita La HA contiene una proporción de calcio-fosfato de 1.67, idéntica al mineral óseo, a diferencia del fosfato tricálcico cuya proporción es de 1.51 lo cual les otorga una diferente aceptación e integración biológica una vez implantados. La HA se puede obtener sintéticamente o derivar de materias naturales (hueso o corales). La hidroxiapatita es quebradiza y relativamente débil comparada con los implantes tradicionales tales como metales, aleaciones y cerámicos de alta resistencia. Las propiedades mecánicas de la hidroxiapatita no son suficientes para que ésta sea utilizada como implante en situaciones de carga, como en el caso de huesos y dientes artificiales. 1.1.1. Usos y aplicaciones 2. Algunas posibles aplicaciones que puede tener la HA como material de implante son: 3. l. Preservación del reborde al alveolar. 4. 2. Fracturas mandibulares. 5. 3. Reconstrucción de huesos faciales. 6. 4. Prótesis ortopédicas. Cuando se ha extraído un tumor óseo o existe una fractura en un hueso el defecto se rellena con HA, o bien para recubrir prótesis metálicas. 7. 5. Artrodesis: fijación de una articulación por medio de cirugía, por ejemplo, la rodilla. Dos vértebras, el codo, etc. 8. 6. Implantes dentales. 9. 7. En la Otorrinolaringología para construir prótesis de oído medio.
10. 8. Generalmente los ortopedistas utilizan injerto de hueso esponjoso para rellenar huecos en fracturas, el cual extraen de huesos sanos, por lo que se sugiri6 utilizar HA en su lugar. Esta HA debe ser sometida a pruebas físicoquímicas y médico-biológicas para comprobar que se puede utilizar en el organismo sin peligro de infección.
1.2 Antecedentes Históricos El uso de materiales para la elaboración de utensilios se asocia a la historia de la humanidad desde tiempos remotos y dio lugar al desarrollo de tecnologías, las que en muchos casos, definieron el avance de las grandes civilizaciones. El paso inicial del desarrollo de las nuevas disciplinas de la ciencia e ingeniería de materiales sucedió en la década del 50, con el uso de procedimientos empíricos para adaptar materiales convencionales a aplicaciones biomédicas. Esto fue generando respuestas a los desafíos planteados por la necesidad de producir dispositivos biomédicos de alto rendimiento. El uso de materiales no biológicos en medicina es, sin embargo, muy anterior a la década del 50. Sus primeros antecedentes documentables se remontan 3000 años a.C., en el antiguo Egipto. También durante las civilizaciones clásicas de Grecia y Roma (siglo VII a.C. a siglo IV d.c.) se usaron materiales no biológicos, en particular, metales y otros materiales naturales para el tratamiento de heridas y de algunas enfermedades. Ya en la era moderna, en la Europa del siglo XVI se empleó el oro y la plata para la reparación dental y, más tarde, hilos de hierro para la inmovilización de fracturas óseas. Los avances tecnológicos de fines del siglo XIX, en particular el desarrollo de la anestesia, de la cirugía en condiciones estériles y de los rayos X, dieron un fuerte impulso a la búsqueda de metales que pudieran ser utilizados en el interior del cuerpo. Pero a poco tiempo de la aplicación de metales a este fin, aparecieron inconvenientes causados por la corrosión o porque los metales carecían de las propiedades mecánicas necesarias para que el dispositivo cumpliera adecuadamente la función para la que fue diseñado. Para superar estos inconvenientes se investigaron nuevas aleaciones metálicas, entre las que cabe mencionar las de cromo-cobalto y los aceros inoxidables. Hacia 1940 se mejoró la resistencia a la corrosión de los aceros mediante el agregado de 2-4% de molibdeno. Hacia 1960 se redujo la cantidad de carbono en estos aceros inoxidables a menos del 0,03% (tipo 316L), por lo que se logró una importante mejoría adicional. Posteriormente, la introducción del titanio y de sus aleaciones con niobio y tantalio, extendió el campo de aplicación de los metales.
La aplicación de biomateriales no metálicos comenzó también tempranamente. Durante la Edad Media fueron utilizados en ligaduras destinadas a detener hemorragias y en algunos de los procedimientos quirúrgicos. Su desarrollo se aceleró a principios de este siglo con el descubrimiento de materiales para fabricar hilos de sutura capaces de ser degradados y absorbidos por el organismo. Sin embargo, la investigación sistemática y planificada de los materiales útiles para la fabricación de prótesis e implantes sólo surge después de la segunda Guerra Mundial como consecuencia del avance del conocimiento en ciencia y tecnología de materiales. Un factor que impulsó fuertemente el desarrollo de materiales implantables durante este siglo fue el enorme aumento de su demanda producida por la necesidad de rehabilitar a millones de inválidos de guerra. Este aumento corrió en paralelo con avances en otros terrenos que crearon condiciones favorables para obtener soluciones eficaces. Entre ellas cabe mencionar a la investigación y desarrollo en general de nuevos materiales, es especial de los poliméricos, la disminución del riesgo de infecciones causada por la aparición de los antibióticos eficaces y los adelantos en el conocimiento de los procesos biológicos desencadenados como consecuencia del contacto de la materia viva con el biomaterial. La observación clínica de que la inclusión de partículas metálicas en los cuerpos de los soldados heridos era bien tolerada, otorgó a los médicos un criterio empírico que justificó el uso de implantes metálicos para corregir daños en el cráneo o para la fijación interna de fracturas. La comprobación de que los pilotos de guerra no sufrieron alteraciones en la funcionalidad del ojo frente a inclusiones oculares de astillas de poli(metilmetacrilato), polímero vítreo empleado en las ventanillas de los aviones, condujo al desarrollo de las lentes intraoculares fabricadas con este material. Estas son consideradas aún hoy en día como uno de los implantes más exitosos. El poli(metilmetacrilato) también se usa con éxito en cirugía ortopédica como cemento para la fijación de prótesis. Durante las décadas del 40 y el 50, la investigación y el desarrollo de los implantes estuvo exclusivamente en manos de cirujanos. Algunos de los implantes concebidos y probados con la dirección de profesionales médicos están todavía en uso (por ejemplo: implante de cadera de Charnley, el cemento acrílico y las fibras de Blakemore para injertos vasculares). Durante la década del 60 se publicaron los primeros estudios sobre las lesiones provocadas por la presencia de un implante, e hizo su aparición el término biocompatibilidad para definir el grado de tolerancia del material por parte de la materia viva. La determinación de la biocompatibilidad para cada aplicación específica y para cada sistema formado por material y el medio biológico con el que estará en contacto, requiere la realización de una serie de ensayos de acuerdo con protocolos preestablecidos y del posterior análisis estadístico de los resultados obtenidos. A finales de los años 60, los ingenieros ingresaron en los laboratorios de clínica médica, quirúrgica y dental, y sus contribuciones comenzaron a aparecer en la
literatura biomédica. El primer simposio de Biomateriales que se celebró en la Universidad de Clemson, En 1969, marca el punto de partida de la necesaria integración de las disciplinas complementarias a la ingeniería y a la medicina para el desarrollo de materiales biomédicos. La influencia del ingreso de la ingeniería al campo de los biomateriales se evidenció en la aplicación de técnicas para caracterizar la estructura y la superficie de los materiales, a los efectos de correlacionarlos con las respuestas biológicas observadas. También, con la incorporación de los materiales cerámicos para el reemplazo de partes óseas y con el desarrollo de materiales compuestos. La comunidad científica que desarrollaba tareas en este campo se agrupó en diversas sociedades, tales como la Sociedad de Biomateriales (EEUU) fundada en 1974 y la Sociedad Europea de Biomateriales. En 1978 se efectuó el primer Congreso Internacional sobre Biomateriales. Desde entonces se produjo un crecimiento notable en el número de trabajos presentados y en el número y nivel de los recursos humanos formados en el área. En el último cuarto del siglo XX se han encontrado en forma natural, cerámicas totalmente biocompatibles con los tejidos del cuerpo humano que pueden ser sintetizadas en el laboratorio, estas cerámicas presentan menos problemas de aceptación por el organismo que los metales. Debido a la necesidad de acelerar la reparación de hueso fracturado, substituir al hueso faltante y en caso necesario al osteoporótico, se han realizado estudios sobre cerámicas biocompatibles mejorándolas tanto en su composición como en su estructura. Es a partir de los años 70's cuando se comenzó a investigar el uso de la hidroxiapatita (HA) como un material osteoinductor, es decir, un material que induce la formación de hueso nuevo. Actualmente se emplea con éxito el hueso de bovino o injerto autólogo (hueso del mismo paciente) como relleno o como implante en casos de faltante de hueso. 1.2 Importancia de la Hidroxiapatita en la Industria Química La HAP es un biomaterial por excelencia. Las investigaciones acerca de la no estequiometría y de la asociación con algunos elementos traza en las apatitas biológicas han sido de enorme relevancia para la investigación de biomateriales que se han utilizado en odontología y ortopedia. La HAP es un cristal biocompatible que ha incursionado en la biomedicina como restaurador, se utiliza en ortopedia, odontología y en oftalmología. En ortopedia ha dado excelentes resultados la hidroxiapatita bovina, porcina, y humana. Se han probado también precursores como los fosfatos y carbonatos de calcio sobre todo en la práctica odontológica. Los resultados no dan una forma óptima en el comportamiento de la reparación de los tejidos a pesar de ser compatibles, sin embargo, es necesaria la investigación pura para dilucidar cuáles son los mejores mecanismos de obtención y combinación con otros elementos. Además de conocer la forma de respuesta de los tejidos en una secuencia ordenada, es necesario
obtener, con base en la ingeniería tisular, avances en la regeneración tisular guiada para que estos biomateriales con diseños adecuados sean útiles. Por otro lado, es importante conocer a este cristal de HAP. Las investigaciones del esmalte dental humano han dado luz al conocimiento de la estructura, origen y función. Con el diseño de técnicas para microscopía electrónica los avances han ido más allá de la clásica descripción de forma de cerradura compactada en un arreglo hexagonal. Si se realiza una observación longitudinal entre la unión del esmalte y la dentina se aprecian estructuras longitudinales en forma de varillas micrométricas, a las que se les ha denominado prismas. Con observaciones a mayor amplificación usando microscopía electrónica de transmisión (MET), se observan gran cantidad de cristales nanométricos que corresponden a la HAP, los cuales al ser observados con microscopía de alta resolución, este cristal presenta la línea oscura que ha sido motivo de múltiples investigaciones. Los cristales de HAP están embebidos en material orgánico. El conocimiento de este cristal puede generar aplicaciones en biomateriales de materiales de HAP que superen la etapa de que sólo se utilicen como relleno. La HAP de diferentes orígenes (bovina, porcina, sintética, coralina, etc.) no se puede utilizar en todo tipo de restauración, ni en las diferentes edades, ya que cambia la respuesta fisiológica ante la dinámica de respuesta en los diferentes sujetos. De tal manera que la HAP coralina no es un buen material en odontología, sin embargo, es útil en oftalmología. También da buenos resultados en prótesis oculares con movimientos conjugados. La HAP de bovinos es útil para reparaciones óseas, aunque no da buenos resultados como rellenos dentales. En todo caso se debe tomar en cuenta la extensión de la reparación, ya que en huesos como la cabeza del fémur da mejores resultados en la reparación con metales como el acero o el titanio, en cambio en la implantación de HAP en prótesis metálicas no da buenos resultados, como tampoco en prótesis de huesos, ni en los implantes dentales. 1.2 Normatividad vigente
1.3 Métodos de obtención de la Hidroxiapatita Síntesis Método 1. En un erlenmeyer se vertió 900 mL de nitrato de calcio tetrahidratado Ca(NO3)2.4H2O de concentración 0,333 M; se adicionaron 1.500 mL de fosfato monoácido de diamonio (NH4)2HPO4 a una concentración de 0,12 M a una velocidad de 1 mL/min, y 75 mL de amoníaco NH4OH, manteniendo el sistema a 90 ºC en agitación durante 1 h. Se obtuvo la siguiente reacción química: 10Ca(NO3)24H2O+6(NH4)2HPO4+8HN4OHCa10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3+46H2O
La solución se dejó en reposo durante diez días a temperatura ambiente. El precipitado obtenido se lavó varias veces con agua destilada y se secó a 250 ºC durante 1 h; luego este precipitado se calcinó a 1.000 ºC durante 3 h.
Método 2. Se mezclaron 400 mL de una solución de 0,6 M de H3PO4 y 400 mL de una suspensión de 1,0 M de hidróxido de calcio Ca(OH)2, a una velocidad de 5 mL/min. Se obtuvo la siguiente reacción: 10Ca(OH)2+6H3PO4Ca10(PO4)6(OH)2+18H2O El pH de la mezcla se ajustó entre 11 y 12; ésta se sometió a calentamiento durante 1 h a 90 ºC, para activar la reacción química; luego se agitó durante otra hora. Posteriormente, se procedió a dejar en reposo la solución a temperatura ambiente durante 72 h. Al finalizar el tiempo de envejecimiento, la HAp precipitada se lavó con agua destilada hasta pH neutro. El polvo de HAp se llevó a la mufla a 1.000 ºC durante 3 h.
Método 3. Se mezclaron 7,76 g de hidróxido de calcio, Ca(OH)2, con 4,30 g de pentaóxido de fósforo (P2O5) en un mortero cerámico; luego se compacta a una presión de 7 ton/cm2 durante 30 min. El bloque de la mezcla se llevó a sinterización en mufla a 1.000 ºC durante 3 h. Las reacciones químicas durante el proceso fueron:
