Universitatea de Vest din Timioara Facultatea de Chimie-Biologie-Geografie Departamentul Chimie TEZ DE DOCTORAT Conductor tiinific Prof. univ. dr. ing. NICOLAE DOCA Doctorand Chim. Alexandra Ioana Ioitescu Universitatea de Vest din Timioara Facultatea de Chimie-Biologie-Geografie Departamentul Chimie TEZ DE DOCTORAT Studiul descompunerii termice a unor precursori Conductor tiinific Prof. univ. dr. ing. NICOLAE DOCA Doctorand Chim. Alexandra Ioana Ioitescu 2007 Dar uite, nu e nu tiu ct O lun chinuit, i-o s te strng de dup gt, Micua mea iubit... Cuprins Partea I STADIUL CUNOATERII Introducere1 1 Biomecanica sistemului osteo-articular uman........................................................................4 1.1 Prghia, element fundamental al micrii..........................................................................4 1.2 Modelarea n biomecanic. Exemple.................................................................................7 1.3 Calculul parametrilor mecanici ai unui material................................................................12 2 Fosfaii de calciu ca materiale biocompatibile; de la bioconducie la bioinducie ..................14 2.1 Materiale biocompatibile...................................................................................................14 2.2 Biomateriale osteoconductive............................................................................................15 2.2.1 Ceramici de fosfat de calciu..........................................................................................17 2.2.1.1 Metode de sintez a hidroxiapatitei.........................................................................18 2.2.1.2 Hidroxiapatit obinut din coral nano-acoperit prin metoda sol-gel .....................21 2.2.1.3 Hidroxiapatit deficient n calciu (CDHA).............................................................21 2.2.1.4 Sinteza de fosfai tricalcici........................................................................................22 2.2.1.5 Fosfai tricalcici coninnd zinc................................................................................26 2.2.2 Biosticla i ceramicile de sticl.....................................................................................28 2.2.3 Cimenturi de fosfat de calciu........................................................................................30 2.2.4 Acoperiri de fosfat de calciu.........................................................................................31 2.2.5 Compozite de fosfat de calciu.......................................................................................37 2.3 Biomateriale osteoinductive...............................................................................................40 2.3.1 Osteoinducia: definiie.................................................................................................40 2.3.2 Osteoinducia biomaterialelor pe baz de fosfat de calciu............................................41 2.3.3 Poteniale osteoinductive..............................................................................................42 2.3.4 Factorii de material ......................................................................................................42 2.3.5 Dependena de animalul supus testelor.........................................................................43 2.4 Fosfonaii organici poteniale biomateriale pentru grefe umane?...................................47 3 Cinetica reaciilor n faz solid..............................................................................................50 3.1 Noiuni introductive...........................................................................................................50 3.2 Metodele izoconversionale i cinetica model-free.............................................................57 Partea a II-a CONTRIBUII PROPRII 5. Strategia de colectare i prelucrare a datelor experimentale. Aparatura utilizat..................76 5.1 Obiectivele studiului..........................................................................................................76 5.2 Aparatura utilizat..............................................................................................................77 5.3 Metodologia de prelucrare a datelor..................................................................................78 6. Studiul descompunerii termice a fosfatului monocalcic........................................................80 6.1 Analiza termic a fosfatului monocalcic monohidrat........................................................80 6.2 Identificarea mecanismului descompunerii fosfatului monocalcic...................................82 6.3 Analiza cinetic a descompunerii termice a fosfatului monocalcic...................................84 7. Studiul descompunerii termice a unor metalo-fosfonai........................................................89 7.1 Analiza termic a unor metalo-fosfonai............................................................................89 7.2 Spectroscopie n infrarou .................................................................................................97 7.3 Difracie de raze X.............................................................................................................113 7.4 Cinetica descompunerii termice a unor metalo-fosfonai .................................................128 7.4.1 Metoda Friedman.........................................................................................................128 7.4.2 Metoda Budrugeac-Segal.............................................................................................131 7.4.3 Metoda Flynn-Wall-Ozawa...........................................................................................134 7.4.4 Metoda NPK.................................................................................................................142 7.5 Consideraii asupra mecanismului descompunerii termice a unor fosfonai metalici........150 8. Sinteza i caracterizarea hidroxiapatitei obinute prin metoda sol-gel din diferii precursori.................................................................................................................................... 157 8.1 Sinteza probelor de hidroxiapatit.....................................................................................157 8.2 Analiza termic a probelor de hidroxiapatit ....................................................................160 3.3 Efectul de compensare n cinetica neizoterm...................................................................62 3.4 Semnificaia parametrilor energie de activare i factor preexponenial.............................66 3.5 Clasificarea metodelor de calcul ale parametrilor cinetici din date de analiz termic.Criterii de clasificare ........................................................................................................... 67 4. Tratamentul termic i analiza cinetic n studiul biomaterialelor..........................................70 8.3 Spectre IR ..170 9. Sinteza i caracterizarea hidroxiapatitei obinut prin precipitare din soluie fiziologic simulat ..................................................................................................................................... 181 9.1 Sinteza de hidroxiapatit prin precipitare din soluie fiziologic simulat........................181 9.2 Caracterizarea hidroxiapatitei obinut prin precipitare din soluie fiziologic simulat..185 Concluzii ...................................................................................................................................189 Bibliografie ...............................................................................................................................207 1 Introducere ntiinamaterialelorunprecursorsedefinetecaunansamblude compuichimicicarenurmaunuitratamenttermic,ncondiiicontrolate, setransformntr-unmaterialcareprezintproprietilefizico-chimice dorite.Aceastnoiuneafostutilizatiniialntehnologiacatalizatorilor, apoitreptats-aextinsnmaitoatedomeniilechimieimaterialelor.Datorit faptuluicaspectulesenialaltransformriiprecursoruluinmaterialulcu proprieti dorite este tratamentul termic, este de la sine neleas importana metodelortermicedelucru,nspecialaanalizeitermogravimetricei termodifereniale.nacestcontexttrebuieinterpretatiamploarea deosebitastudiilorcineticenregimizotermineizotermatransformrii diferitelor substane cu funciune potenial de precursor. De aceea prezenta tez reprezint o valorificare a posibilitilor oferite de analiza termic i de cineticaneizoterm,cuprecizareactoateanalizelecinetices-aurealizat pentru mai multe viteze de nclzire, conform protocolului ICTAC 2000.Caiprecursoripentrutratamentultermicamalesmateriale biocompatibilepebazdefosfaidecalciu,iarncontinuarevoiprezenta succint aceste materiale i motivaia alegerii lor.Mai nti este necesar definirea unui biomaterial, acesta reprezentnd oricesubstan,altadectmedicamentelesaudrogurile,saucombinaiade substanedeoriginenaturalsausintetic,cepoatefiutilizatpentruorice perioaddetimp,cantregsauparteaunuisistemcaretrateaz,cretesau nlocuieteoriceesut,organsaufuncieacorpuluiuman.Biomaterialele sunt materiale nevii. 2 Fosfaii de calciu cu compoziii variate sunt prezeni n cantitate mare ndanturaumaninesuturileosoase.Hidroxiapatita(HAP; Ca10(PO4)6(OH)2)esteconstituentul anorganicmajor,cntrindaproximativ 69%dinmasaosoas.Alifosfaiprezenincantitifoartemicinoase includpirofosfatuldecalciu(CPP;Ca2P2O7),fosfatultricalcic(TCP; Ca3(PO4)2) i fosfatul tetracalcic (TTCP; Ca4P2O9) . Mineralele de fosfat de calciu, fiind constitueni primari ai esuturilor dure,prezintbiocompatibilitatesuperioariocapacitatemaredease integradirectesutuluiososprinresorbie(spreexemplu-fosfattricalcic) sauprinpermitereacreteriinouluiesutososninteriorulstructuriilor poroase(hidroxiapatit).Deaceeaaudevenit,nultimeledoudecade,un material important pentru implante osoase i dentare. Hidroxiapatita (HAP) i -fosfatul tricalcic (-TCP) sunt materiale de interes particular pentru implanturi de esut dur n chirurgia oral i plastic saupentruutilizarecaumplutursubformdepudr,pentruumplerea spaiilorlibere(spreexempluntimpulrestabiliriifracturilorosoase complicatecupierdereconsiderabildematerialosossauncazdespaii libere mari rezultate n urma extirprii unor tumori la pacienii tineri, etc.). Toateacesteconsiderentefacdinmaterialelebiocompatibile precursori ideali pentru un studiu referitor la comportarea termic a acestora sub influena diferitelor scheme de tratament termic. Astfel am luat n lucru unfosfatmonocalcicmonohidrat,respectiv ocategorieaparte de precursori pebazdefosforianumeacidulfenil-vinil-fosfonicisrurialesalecu metale,caredeasemeneaprezintutilizrimultiplendomeniulmedical. Dinpcateliteraturadespecialitateestesracninformaiilegatede comportarealatratamenttermicamaterialelorbiocompatibilepebazde 3 fosfai de calciu, ceea ce duce la lipsa posibilitii de a compara informaiile obinute.Metodeledesintezamaterialelorbiocompatibilesuntmultiple, literatura abund n informaii din acest domeniu. n studiile efectuate pentru prezenta tez am ales ca metode de sintez tehnica sol-gel i precipitarea din soluie la temperatur ambiant.Analizatermiciceacinetic, nciudafolosiriide vitezediferite de nclzire i a mai multor metode de prelucrare a datelor, nu ofer suficiente informaiidesprestructuraintimauneisubstane,ceeaceadusla necesitateautilizriidemetodefizico-chimiceprecumspectroscopiaIRi difracia de raze X, n scopul identificrii mecanismului reaciei chimice care areloc.Utilizndtoateinformaiiledeinute,s-ancercatelaborareaunui mecanismprobabilaldescompunerii(pentrucazurilencarefie mecanismul, fie compuii finali nu se cunosc a-priori). Concluziilerezultatenurmaacesteitezenuseconstituientr-o finalitate, ci ntr-un nou nceput, prin seria de ntrebri care se ridic. 4 Partea I STADIUL CUNOATERII Din punct de vedere aerodinamic bondarul nu ar trebui sapoata sa zboare. Dar el nu stie asta si zboara in continuare Cap. 1 Biomecanica sistemului osteo-articular uman n scopul utilizrii materialelor biocompatibile n aplicaii medicale, protezri sauchiarmodelri,estenecesarstudiuldinpunctdevederemecanical organismului uman,deaceeasevortrecenrevistcteva noiuni introductiveale domeniului biomecanicii.Osul este un compozit natural [1] constituit dintr-o faz rigid, hidroxiapatita (HA),iomatriceflexibil,colagenul.Caracteristicilemecanicealeosuluiiale componentelor sale sunt prezentate n tabelul 1.1. Rigiditatea manifestat de os este imprimatdeconstituentulmineral,HA,iarelasticitateasedatoreazcomponentei organice, colagenului Tabel 1.1 Caracteristicile mecanice ale osului i componentelor sale [1] MaterialeModului luiYoung [GPa] Rezistena la rupere [MPa] Densitate (kg/dm3) Colagen 1.260- Hidroxiapatita114-3.1 Osul compact Direcie longitudinalDirecie transversal Os spongios

14-18 9-12 3 148 49 5 2 1.1 Prghia, element fundamental al micrii Cercetareasistemuluiosteo-articularalorganismuluiumansubaspect mecanicsepoatefacecusuccesutilizndmetodeleinginereticlasiceimoderne, 5 de calcul iexperimentale.Astfel,sistemul osteo-articularpoatefi privitca fiindo structur spaial deformabil, avnd o complexitate apreciabil n ceea ce privete geometria, proprietile elastice i sarcinile.Funcionareaaparatuluiosteo-articularsefaceutilizndunsistemdetip prghie. O prghie reprezint un complex format dintr-un corp solid nedeformabil (n majoritatea cazurilor de form alungit), care se poate roti n jurul unei axe fixe subaciuneaunorforeaflatentr-unplanperpendicularpeaceaax[2,3].Asupra prghieiacioneazdoufore:oforactiv(motrice),caretindesimprimeo rotaie ntr-un sens, i o for rezistent, care se opune acestei micri. O articulaie areunpunctdesprijin(S),maimultsaumaipuinfix,unulncareacioneaz o rezisten(R),oponentamicrii,iunulcarerealizeazmicarea(F), reprezentat cel mai des prin muchiul care se contract[4].norganismulnostrufuncioneaztreitipurideprghii[4,5],astfel: a. Prghii de ordinul I, RSF, caracterizate prin interpunerea punctului de sprijinntrecelelaltedou.Estetipicpentruarticulaiaatlanto-condilian,cu reperele: -nextensiacapului,sprijinulsefacepearticulaiaatlanto-condilian, rezistenaorealizeazparteafacialacraniului,iarforaestedezvoltatprin contracia muchilor extensori ai cefei; -nflexiacapului,situaiaseinverseaz;punctuldesprijinrmneacelai, darforaacioneazpepartea anterioaragtului(muchiiflexori), iar rezistena se dispune posterior

b.PrghiideordinulII,FRS,caresecaracterizeazprininterpunerea punctului de rezisten ntre cel de sprijin i cel de for. O astfel de situaie se gsetespreexemplucndneridicmpevrfurilepicioarelor.Atunci,sprijinulse 6 A G p Oq B RFAFH face pefalange,punctefixe, greutateacorporalse las ndreptulariculaieitibio-fibularo-astragalian,iarforacareseopuneacesteiaestereprezentatdemuchiultricepssural(constituit din gastrocnemian i solear); c.PrghiideordinulIII,SFR,careaupunctuldeforntrecelelalte dou. O astfel de prghie se realizeaz la flexia membrelor. Punctele de sprijin sunt reprezentatedecaptulinferioralhumerusului(labra)ialfemurului(lapicior), rezistenadecapeteledistalealemembrelor(palmitalp),iarforaeste dezvoltatprincontraciamuchilor brahialibicepsbrahial,idebicepsul femural,semimembranos,semitendinos i adductor lung, la picior. Efectuluneiforeaplicateasuprauneiprghiiestecuattmaimare,cuctforairespectivdistanadelapunctuldeaplicaiealforeilapunctuldeoscilaie (distan numit braul prghiei) sunt mai mari[2]; deci, efectul forei se va aprecia dup mrimea momentului forei n raport cu punctul de oscilaie al prghiei: Fig. 1.1 Efectul unei fore aplicate unei parghii i momentul forei respective p F OG F F MA A A O = = ) ( (1.1) q F OH F F MR R R O = = ) ((1.2) 7 O prghie se gsete n echilibru dac momentul forei active n raport cu punctul de oscilaie este egal cu momentul forei rezistente n raport cu acelai punct: ) ( ) (0 0 R AF M F M =(1.3)adic: q F p FR A = (1.4) de unde: pFqFR A=(1.5) adicputemafirmacoprghieestenechilibruatuncicndforaactivicea rezistentsunt inversproporionalecu braelelor(uneiforemaimaritrebuies i corespund un bra mai mic i invers). 1.2 Modelarea n biomecanic. Exemple nvedereaelaborriiunuimodeleficient,noriceproblemdebiomecanic trebuiecapebazaanalizeidatelorcunoscutenlegturcufenomenulcare intereseaz precum i n funcie de scopul urmrit, s se fac o sintez a modelului care s in seama de urmtoarele aspecte[6]: - dac modelul este static, cinematic sau dinamic, adic dac intereseaz solicitrile, eforturile,tensiunile,deformaiile,deplasrilesubdiversesarcinistaticesau dinamice, sau legile de micare ale diverselor componente, n diverse situaii; - geometria modelului poate fi plan sau spaial; modelul poate fi realizat la scar ntoatedetaliilesaupoatefidistorsionat,adicuneledetaliisaudimensiunipotfi executate la alt scar dect restul modelului; -materialul din care este realizat modelul poate fi natural, caz n care se utilizeaz unpreparatanatomic,poatefiomasplastic,unmaterialmetalicsaucombinaii ale acestora; - legturile la care este supus i ncrcarea modelului trebuie realizate n condiii ct mai apropiate de cele reale, pentru situaia studiat. 8 S-aupropus[6,7]programeialgoritmipentruastudiadinamicacorpului uman,acesteaoferindposibilitateadeasestudiaproblemelecareaparnacest domeniu i a se stabili posibilitile de remediere ale acestora.Sevaluacaexemplundiscuiearticulaiaoldului[7],deoareceesteconsiderat [8, 9] ca fiind una dintre cele mai solicitate articulaii ale corpului uman: Articulaiadintrecapulfemuralifosaacetabularapelvisului(figura1.2) formeaz o articulaie diarthrodial. Stabilitatea articulaiei oldului este generat de sistemulrigidbil-cavitate,deligamenteleidemuchiimariiputerniciceo nconjoar.Capulfemuruluisepotriveteperfectncavitateafoseiacetabulare. Ligamentelearticulaieiolduluisuportiincapulfemuruluinfosaacetabular lsndposibilitateademicare.Construciamecanicaarticulaieiolduluieste foarte stabil i are o mare mobilitate, permind o larg categorie de micri[7]. Micrilefemuruluinjurularticulaieiolduluiinclud:flexiaiextensia,rotaia interioar i exterioar. Aceste micri sunt limitate de ligamente, muchi i/sau de structura osoas a oldului. Pelvisul este format din ilium, ischium, oasele pubisului isacrum.Poziiasalfacerelativpuinstabil.Micrileacestuiasuntcauzatede muchiitrunchiuluiiaioldului.Configuraiamuchilorlaunmomentdat determinforeledezvoltatedeacetialamomentulrespectiv.Fiecaremuchi dezvoltoforcaredepindedeseciunea,lungimeaimasaacestuia,expresia Fig.1.2Structuraosoasa articulaieioldului:(1)ilium,(2) sacrum,(3)acetabulum,(4) ischium,(5)mareletrohanter,(6) micul trohanter, (7) femur 9 analitic fiind determinat de valorile extreme ale lungimii i seciunii transversale [6, 7]. Indiferitepoziiialemembruluiinferiorforeledezvoltatedemuchisunt evidentdiferite,depinznddeconfiguraiilemuchilorcareasigurrealizarea poziiilorrespective.Acestaestemotivulpentrucare,dinpunctdevederestatic, analizacomportriimembruluiinferiorestemaisimpl.Intr-oastfeldeanalizse studiazconfiguraii,ncaresecunoscexact:morfologiamuchilor,poziiile punctelor de inserare pe structura osoas, direciile fibrelor. Aceasta se traduce prin cunoatereamrimii,direcieiioriginiiforeidezvoltatedeunanumitmuchi. Problemadificilaparenstudiuldinamic,cnddiferiiimuchiimodifictot timpulconfiguraia,sistemuldeforedezvoltatefiindvariabilaleatorntimpul micrii executate[7]. Figura1.3Forelecareacioneazasupra picioruluidrept,cndacestasusinentreaga greutate a corpului Figura 1.4 Modelul mecanic (a) i parametrii geometrici (b) 10 Infigura1.3membrulinferiorumanestereprezentatnpoziiadeechilibru ortostaticcusprijinpeunsingurpicior,iarnfigura1.4esteprezentatmodelul mecanic adoptat, cu mrimile geometrice caracteristice i forele care acioneaz. Se consider n planul vertical[7]: MF -foraexterioarcunoscut,exercitatdemuchiulabductoraloldului, fcnd n aceast poziie unghiul cu orizontala JF - reaciunea din articulaia oldului, de la pelvis ctre femur 1G - greutatea piciorului (for cunoscut) G - reaciunea normal din punctul de sprijin la sol (egal cu greutatea total cunoscut a corpului uman) Notaiile din figuri se refer la[7]: O-punctulncareaxainstantaneederotaieaarticulaieiolduluiintersecteaz capul femurului i care se alege ca origine a sistemului de referin n care se reduc forele; A - punctul de inserie al muchiului abductor pe femur; B - centrul de greutate al membrului inferior (unde se aplic greutatea sa G); C - punctul de aplicaie al reaciunii (de contact teoretic cu solul). Din ecuaiile de echilibru static, pentru poziia analizat, se poate calcula reaciunea din articulaia oldului [7]: (1.6) n care fora dezvoltat de muchiul abductor este[7]: (1.7) unde: - unghiul de nclinare al gtului femurului fa de orizontal; 11 - unghiul pe care axa longitudinal a femurului o face cu orizontala. Pentru orice poziie dorit a piciorului, se poate calcula aceast for (ec. 1.6), care vaaveadefiecaredataltvaloare,deoareceparametriigeometricice caracterizeazpoziiarespectivvorfialii.Inplus,eaesteaproximativ,doarece foradezvoltatdefemurafostintrodusnecuaiiledeechilibrucaofor constantacreiexpresie(1.7)depindedoardelungimilea,b,cideceledou greuti.Aceastsimplificareestedepartederealitate,ccinfiecarepoziie geometric configuraia anatomic a muchiului abductor este alta i deci i fora FM este alta[7]. Intr-oproblemdedinamic,cndpractictoatemrimileceintervinn expresiile(1.6)i(1.7)suntfunciialeatoaredetimp,variaiareaciuniidinold este imposibil de determinat exact prin rezolvarea analitic a unor ecuaii. Chiar n varianta n care ecuaiile difereniale ale micrii se pot scrie, este puin probabil c sepotirezolvaexact.Deaceea,singuravariantvalabilesteconsiderareaunor metodenumericeirealizareaunorprogramedecalculcaresfacposibil abordarea problemelor de dinamica corpului uman sau a prilor acestuia[6, 7]. Studiul static se poate continua pentru mai multe cazuri particulare, n aceeai manier:sestabileteclarconfiguraiageometricipuncteledesprijinlasol,se apreciazdacsistemuldeforeestecoplanarsaunspaiuisescriuecuaiilede echilibru static (3 la sisteme coplanare i 6 la sisteme 3D). Studiul analitic poate fi ns nlocuit cu analiza prin metoda elementelor finite sau o alt metod numeric, care d rezultate foarte apropiate de realitate deoarece modelarea poate fi fcut cu un grad de precizie ridicat [7]. 12 1.3 Calcululparametrilor mecanici ai unui material[10] nsuirilemecanicealeunuimaterialsuntdefiniteprinparametri caracteristici, i anume: Modulul lui Young (modulul elastic) se determin conform ecuaiei: d abPLE334=(1.8) unde: E=modulul lui Young, exprimat n N/m2 P=fora superioar, exprimat n N L=deschiderea exterioara a ablonului testat, exprimat n m a=limea piesei de testat, n m b=grosimea piesei, n m d=deplasarea specimenului testat, n m Rezistena la fracturi se determin conform formulei:( )( )( )( )( )2 / 12 / 14 . 01/ 1 035 . 0= aE HaHV Kc (1.9)unde: K1c = rezistena la fracturi (MPam1/2); E = modulul lui Young exprimat n N/m2; = factorul de constrngere (=H/y ~ 3, unde H este duritatea i y este factorul de stress); l = lungimea fisurii; a=jumtatedinlungimeadiagonalaindentaiei(urmalsatdepenetratorul piramidal ptrat n material); HV = microduritatea Vickers; Rezistena la ncovoiere(rupere), reprezentat prin modulul de ruptur, , se calculeaz conform ecuaiei lui Soltesz: 13 ( ) ( ) +++=2212212211 ln 241 3rr rrrtF(1.10) unde: = modulul de ruptur; F = fora; = raportul lui Poisson = 0.28 (din literatur [11]); t = grosimea, n m; r = raza discului de ncercare, n m (s-au utilizat discuri poroase cu diametru de 20 mm[1]); r1 = raza inelului de ncrcare, n m (s-au utilizat inele concentrice suprapuse); r2 = raza inelului de suport, n m; ncmpulbiofuncionalitiiialfenomenelordeconduciesiinduciea formrii osoase, studiul biomecanic furnizeaz informaii deosebit de importante n ncercareaomeniriideagsicimaieficientedeainterveniiajutancazuride traumatisme ale aparatului osteo-articular.14 Cap. 2 Fosfaii de calciu ca materiale biocompatibile: de labioconducie la bioinducie 2.1 Materiale biocompatibile Fosfaiidecalciusuntutilizaidectrecorpulumanpentruaconstrui material osos, iar n cercetrile cu aplicaii medicale se folosesc pentru a produce biomaterialenecesarereparaiilorosoase.Secunoatefoartebinefaptulc biomaterialele de fosfai de calciu ghideaz sinteza osoas i formeaz o legtur strnscunoulos,fiinddeaceeaprindefiniieosteoconductive.nafara proprietilor osteoconductive, s-a descoperit faptul c aceste biomateriale (doar cele care posed anumite caracteristici fizico-chimice) induc formarea osoas n situri neosoase i de aceea sunt considerate osteoinductive[9]. Materialeleceramicedebazutilizatecamaterialepentrusubstitute osoase sunt: Hidroxiapatita (HA), cu formula Ca10(PO4)6(OH)2 Hidroxiapatitadeficientincalciu(CDHA)cuformulaCa10-x(PO4)6-x(HPO4)x(OH)2-x, 0x1 Fosfaiidecalciu:fosfattricalcic(TCP,prezentnformele cristalografice i), fosfatdicalcic(DCP),pirofosfatul decalciu, etc.Mineralulososnatural,descrisiniialcahidroxiapatit,estecompusdin nanocristalesau,maiprecis,nano-discuri.Acumesteacceptatfaptulcapatita osoaspoatefidescrismaibinedreptcarbonathidroxiapatit(CHA)[12],i aproximat prin formula (Ca, Mg, Na)10(PO4, CO3)6(OH)2.Materialeleceramicebioactiveaufostlargutilizatecasubstituteosoase pentrumaimultedecade.Dintreacestebioceramici,oatenieparticularafost acordatHAdatoritbioactivitiiacesteia[13].HAstoechiometricareo structurhexagonalconstruitdincoloanedeatomideCaiOcaresunt paralele cu axele hexagonale, cu constante de reea de a=0.9418 nm i c=0.6884 15 nm[13, 14]. Hidroxiapatitele deficiente n calciu prezint un interes mai mare din punctdevederebiologiccomparativcuHAstoechiometric,deoareceraportul Ca/Pesteacelaicainoase,deaproape1.5[13,14].S-asugeratfaptulc CDHAjoacroluriimportantencadrulmaimultorprocese,cumsuntcelede remodelare osoas i formare osoas. Mai mult, ambele aceste compoziii (HA i CDHA)sunt similare, chimici structural,constituenilorminerali ai esuturilor dure umane. Cu toate acestea, mineralul osos (biocristalul natural) nesen are o structur cu un raport Ca/P de aproximativ 1.5, care reprezint un raport Ca/P similar fosfailor tricalcici (TCP), (Ca/P=1.5), dar structural i chimic reprezint ocompoziiesimilarhidroxiapatitei(Ca/P=1.67).S-aafirmatdeasemenea faptulcproprietilechimiceiprocesecumarficataliza,schimbulionici degradarea n soluie sunt puternic dependente de raportul Ca/P[13].Definiia acceptat n literatur pentru termenul de biocompatibilitate este:biocompatibilitateapresupuneacceptareaunuiimplantartificialdectre esuturilenconjurtoareidectrentregulorganismnansamblu(SREN 30993-1 - Evaluarea biologic a dispozitivelor medicale)[15]. 2.2 Biomateriale osteoconductive Componentulprincipalalosuluiuman,fosfatuldecalciu,afostutilizat nc din anii 1890 n scopul stimulrii regenerrii osoase, ns rezultate pozitive au fost obinute abia dup ce Albee [9] a descoperit n 1920 c fosfatul tricalcic stimuleaz formarea osoas. Adevratul progres a avut loc abia n 1970-80, cnd s-adescoperitcbiosticla(Bioglass)-sticlaconinndfosfatdecalciu,i ceramica hidroxiapatitic sunt osteoconductive.Termenuldeosteoconductivitatearediferitenelesuri,funciededomeniuln care se folosete. n sens clinic acesta semnific creterea osoas dinspre esutul ososgazdnspreimplant.Datoritacestulneles,oricematerial(nunumai fosfaiidecalciu,cichiaripolimerii)poatefiosteoconductiv,datorit 16 capacitiideregenerareaosuluinsine[9].ntiinabiomaterialelor osteoconductivitateaarenelesuldecreteredinspreosulgazdspreimplanti formareosoascontrolatpesuprafaamaterialelor,avndcarezultatlegarea osoas.Adouaproprietatemaipoartnumeleidebioactivitatesau osteointegrare. n practic, absenaaltoresuturi ntre nou-formatul esutosos isuprafaabiomaterialuluiesteutilizatpentruaidentificaunbiomaterialca fiind osteoconductiv[9]. Dup ce formarea osoas controlat i stabilirea unei legturi osoase a fost descoperitncazulbiosticleiiHA,altebiomaterialeaufostprezentateca avndcapacitateadeaghidaformareaosoaspesuprafaalorideaformao legturchimiccunoulos[9].PelngceramiciHA,s-ademonstrat osteoconductivitateaunormaterialeprecum:ceramicilebifazicedefosfatde calciu(BCP)sauceramicidefosfattricalcic(TCP),precumicimenturilede fosfatdecalciu.S-auutilizatacoperiricufosfatcalcicpentruaconferi osteoconductivitatesuprafeelormetalice.Deasemenea,compozitepebazde CaPpotdeveniosteoconductivencondiiifavorabile.Defapt,chiar biomateriale care pot fi uor mineralizate in-vivo, spre exemplu dup implantare, sunt osteoconductive [9].Oricematerialosteoconductivformeazin-vivounstratdeapatitbiologicpe suprafaa lui, pe care se ataeaz apoi uor celulele osteogenice i formeaz noul os.Biomaterialeleosteoconductivesuntmaterialepotrivitepentrugrefe,care asigurcontinuitatea osuluireparat, attstructuralctimecanic.Materialele osteoconductiveaufostdezvoltateattndiferitetipuri(ceramicidefosfatde calciu, cimenturi de fosfat calcic, acoperiri de fosfat de calciu, biosticl, ceramici debiosticlicompozitecufosfatcalcic),ctindiferiteforme(blocuri poroase sau dense, particule, granule, etc), pentru a ntmpina cerinele clinice. 17 2.2.1 Ceramici de fosfat de calciu[9] Celemaiutilizateceramicidefosfatcalcicsuntceledehidroxiapatit (HA),ceramicidefosfattricalcic(TCP)iamestecurialeacestora,ceramici bifazicedefosfatdecalciu(BCP,cudiferiterapoarteHA/TCP)[9].Dei compoziiaiformaacestoravariaz,toateceramiciledefosfatdecalciusunt biocompatibile,osteoconductive,non-toxice,inactivedinpunctdevedere antigenicinecancerigene.Ceeaceledifereniazestecomportamentulla dizolvare(fig.2.1),iimplicitvitezeledebioresorbie.CeramiciledeHA derivatedincoralsaufabricatedinpudredeapatitsinteticsedizolvfoarte ncet, n timp ce ceramicile de TCP se dizolv rapid. Viteza de dizolvare a BCP se situeaz ntre HA i TCP i depinde foarte strns de raportul HA/TCP: cu cteste mai mare cantitatea de TCP cu att crete i viteza de dizolvare[9]. Fig. 2.1 Dizolvarea ceramicilor de fosfat de calciu in vitro: HA, BCP i TCP (particule ceramice 60010 mg 2-4 mm, n 100 ml soluie fiziologic simulat, pH=7.3, 37.3C)[9] Pelngvitezamarededizolvare,TCPpoatefiresorbitin-vivodectre osteoclastesaumacrofagi.DeivitezaderesorbieaTCPesteafectatattde macrostructurctidemicrostructur,ceramicaTCPestengeneral considerat o ceramic de fosfat de calciu bioresorbabil. Ceramiciledefosfatdecalcius-aufolositcablocuridense,blocuriporoase, pudresauparticule,nchirurgiaortopedicidentar,ideasemeneaca transportoripentruproteinelemorfogeneticeosoase(BMP)sauscheletpentru 18 ingineriaesutuluiosos.Datoritcaracteristicilormecaniceslabe,ceramicilede fosfaidecalciusepotutilizadoarnsiturinesolicitantenprivinarezistenei. Maimult,blocuriledeceramicidefosfatcalcicsuntpreafragilepentruafi ajustate,astfelnctumpluperfectdefectulososimpiedicformareaosoas. Particulele ceramice sau granulele umplu bine patul osos, ns apare problema migrrii particulelor. 2.2.1.1 Metode de sintez a hidroxiapatitei Omareatenies-aacordatiseacordnchidroxiapatiteinsine.Dei HAsinteticarecapacitateadelegaredeos,vitezaosteointegrriiesterelativ sczut.OmetodpromitoaredeproduceredeHAsinteticcucapacitate superioardeosteointegrareesteaceeadencorporarenstructuraacesteiade ionicaresuntprezeninmodnormalnmaterialulosos(cumsuntionii carbonat)[16].Maimulteobservaiicareincludnon-stoechiometriaacestor apatiteiasociereaprincipalilorconstitueniminori,magneziuicarbonat,au furnizatdoveziconformcroraapatitelebiologicenusuntHApuriartrebui considerate drept carbonatoapatite[17]. Ben-Nissanicolab.[16,18]s-auocupatdecomportareatermic,n particularcineticadescompuneriiprecursoruluideHAsol-gelderivat,pentru maimultevitezedenclzire.RezultatelearatfaptulcHAareoenergiede activare de dou ori mai mic pentru procesul de cristalizare sol-gel, comparativ cucristalizareadinfazeamorfedefosfatdecalciu,obinutecarezultatal procesuluicupulverizarecuplasm.Maimult,s-aafirmatchiar[16,17]cnu exist lucrri publicate despre HA derivat din soluie, care s fie monofazic, s conincarbonatisaibeomorfologieacristalelorsubformdediscuri.S-a observat,laformareacristalelorsubformdediscuri,faptulcmorfologia cristalelorsedatoreazattprecursorului,darmaialesprocesuluide descompunere termic.19 Ben-Nissanicolab.[19]auprezentatnecesitateaiauaccentuat importanamaturriinscopulconvertiriiprecursorilordedietoxiddecalciu [Ca(OEt)2]itrietilfosfit[P(OEt)3]ncadrulunuiprocessol-gel,pentru obinereadehidroxiapatitmonofazic.S-ancercatapoiideeaunuiprecursor alternativdefosforcarenunecesitoperioaddematurarede24deore.S-a ncercat utilizarea de dietilfosfit [HOP(OEt)2] ca precursor alternativ, cale care a permisobinereadehidroxiapatitprintr-unprocedeucarenuanecesitat maturareasolului[20].S-aaplicatcusuccestehnicaRMNnscopul monitorizriireacieintimpulperioadeidematurare,ceeaceafurnizat caracteristiciledebazalecomportamentuluiprecursoruluialternativdefosfor. De asemenea s-a ncercat abordarea aspectelor referitoare la mecanismul reaciei ilaidentificareaintermediarilordereaciepentrusistemelesol-gelP(OEt)3i HOP(OEt)2.P. Sepulveda i colab. [21] s-au ocupat de evaluarea in vivo a spumelor de hidroxiapatit.CorpurilemacroporoasedeHAbiomedicalavnd85-90% porozitateaufostproduseprinspumareasuspensiilorceramiceintrirepe suporturi de gel [21, 22]. Pentru consolidarea matricilor s-a utilizat sinterizarea la 1350Cpentru2ore.Metodaspumelorcusuportdegelsearatafipotrivit pentruobinereadespumeputerniceiutiledeceramicimacroporoasecareau unpotenialridicatdeanlocuiesutulosos.Procesulducelacompuinon-citotoxicicuvariatefraciunideporozitate,duritateacceptabiliporideschii sferici[21].Rezistena la fracturi a ceramicilor de HA prezint valori mici n raport cu cerineleclinice,deaceeanumeroasestudiis-auefectuatnscopulinvestigrii duritiimaterialelorceramice.Ometodcomundeambuntiduritateai trinicia materialelor ceramice este ntrirea matricii ceramice prin adiia de fibre scurte sau fulgi. n prezent, variate materiale precum SiC, C, Si3N4, Al2O3, ZrO2, ifibremetaliceaufostaplicatenstudiulceramicilorHA[23,24].FulgiiHA sauHAfibroasaufostsintetizaiprinvariatemetodeprecumsinteza 20 hidrotermal,precipitareomogen,sinteznfazsolidlatemperaturimarii creterensistemesol-gel[23,25,26,27].Dar,acetifulgisaufibrepreparate prin reacii n faz solid i n sisteme sol-gel arat o dependen sensibil fa de condiiiledepreparare,cristalinitatealoristabilitateatermicfiind nesatisfctoare.S-aprezentat[24]faptulcformacristalelordeHAtindes devin acicular ncondiii hidrotermale; din pcate, este dificil s se obin un cristalcareposedomorfologiecontrolat.FulgiiHAsintetizaiprintratament hidrotermal al -TCP cu acid citric au o lungime de doar 20-30 m i o grosime de0.1-1m[23].Precipitareaomogencuovitezdereaciemicesteo procedur relativ uoar de a obine particule uniforme de HA[23].HApurafostobinut[28]dinfosfatdecalciutribazicihidroxidde calciu,precursoridisponibilicomercial.nurmareacieisolideaacestor precursorinanumiterapoartemolareiprintrataretermicconformunei scheme bine stabilite, se poate obine HA pur.Park i colaboratorii [29] au preparat HA sub form de fulgi prin hidroliza -TCPncondiiicontrolatedepH.Pemsurcecompoziiachimics-a apropiat de stoechiometrie i a devenit o structur aglomerat mergnd pn la o ceramicdens,stabilitateatermicaHAsinteticacrescut,iarparticulele deveniteelipsoidaleauprezentatstabilitatetermicmaimaredectcelesub form de fulgi.Bioceramici poroase pot fi produse prin maimulte tehnici cumeste cea a spumeipolimerice,procesedespumareitehniciutilizndaditiviorganici[10, 30].Condiiapentruapermitecretereaosoasesteexistenadeporideschii interconectai,cudiametrealeporilormaimaridect100mpentruo vascularizaiebun[31].Interconectivitateaporilorpoatefiobinutprinadiie deformatoridepori,spreexemplu.Totui,estenecesaruncompromisntre interconectivitate i rezisten mecanic[10]. 21 2.2.1.2 Hidroxiapatit obinut din coral nano-acoperit prin metoda sol-gel Seutilizeaznmodcurentgrefeosoase,produsedinhidroxiapatit coralin.Datoritnaturiiprocesuluideconversie,HAcoraliniccomercial reineunprocentdincoralsauCaCO3,istructuravaprezentananoporin interiorultrabeculelordintrepori,avndcarezultatvitezemaride dizolvare.n anumite condiii aceste caracteristici reduc durabilitatea i rezistena i nu pot fi utilizate la grefe, unde se cere rezisten structural mare. Pentru a nvinge aceste limite,afostdezvoltatonoutehnic,ianumeceadedublconversiea coralului [18, 32-34]. Duritatea biaxial a fost mbuntit, atingndu-se chiar o valoare de dou ori mai mare, datorit acestui tratament dublu. Aceast aplicaie seateaptsaibecarezultatdurabilitatemaimareilongevitatecrescut datoritstructuriiHAmonofazice,precumirezistennmediulfiziologic[32, 33]. Se anticipeaz utilizarea acestui nou material n aplicaii de grefe osoase cu rezisten la solicitri, acolo unde exist cerine de rezisten crescut. 2.2.1.3 Hidroxiapatita deficient n calciu (CDHA) Recents-audezvoltatnumeroaseprocesedeprepararedepudreapatitice nano-dimensionale[13,14,35,36].Printreacesteprocese,sintezain-situde nano-cristaledeCDHAlatemperaturambiantprintr-osimplcoprecipitare esteunadintrecelemaiatractiveci,folosindcasursedeCaiP, (CH3COO)2Ca.xH2O 99% i H3PO4 99%.Liouicolab.[37]aupreparatapatitdeficientncalciu(CDHA),din precursorii:(CH3COO)2Ca.H2O,Ca(NO3)2.4H2O,H3PO4i(NH4)H2PO4,iau investigatmecanismuldetransformareal-fosfatuluitricalcic(-TCP). AnalizelededifraciederazeXaratcdezvoltarea-TCPnuarelocprin intermediuluneireaciidirectentreCaiPpentrutoatecombinaiilede precursorideCaiP.Energiadeactivarepentruformarea-TCPcu (NH4)H2PO4 ca precursor a fost mai mare dect cea cu H3PO4 ca precursor.22 ConformecuaieiJohnsonMehlAvrami[37]mecanismulreacieide formare a fazei -TCP este o cretere unidimensional, cu cretere controlat de interfa i de difuzie, dependent de temperatura de reacie. Exist o tranziie de faz ntre 750 i 825C, i viteza de tranziie ntre creterea controlat de interfa i cea controlat de difuzie este dependent de precursor. Prin microscopie electronic de transmisie s-au putut observa particule aciculare, carepotformacuuurinagregatecristalineatuncicndseaplicsoluiilor concentraiimaimariiamestecarerapid.S-asugeratfaptulcacestecristale de HA tind s creasc de-a lungul direciei [0 0 0 1], direcia cu creterea cea mai rapid, avnd ca rezultat o morfologie acicular [38].Liouicolaboratorii[39]aupreparatcristalenanostructuraledeapatit acicular deficient n calciu cu un diametru de 5-10 nm i lungime de 20-80 nm, printr-o tehnic in-situ n prezena acidului poliacrilic (PAA) n soluii apoase cu diferite valori de pH, cuprinse n domeniul 9-11. A fost investigat nanostructura cristalelorrezultate,prezentndoconfiguraiecuunstratsubiredePAAsub form de cochilie de aproximativ 1 nm. Formatul compozitelor aciculare depinde deconcentraiasoluieidePAAidepH-ulsoluiei.LaunpHmaisczutal soluiei,cretereacristalinafostinhibat,conducndlaoscderea dimensiunilor,ntimpcecretereadimensiunilorafostdetectatlaunpHmai mare al soluiei, sugernd o cretere preferenial a nanocristalelor de CDHA. S-apropusunmecanismpentruaceastcreterepreferenialisesugereaz corectarea adsorbiei PAA de-a lungul axei nanoparticulelor aciculare[39]. 2.2.1.4 Sinteza de fosfai tricalcici Jong-ShingBowicolaboratorii[40]s-auocupatdedezvoltareaunei metodesimpledesintezde-TCP(-fosfattricalcic)nanodimensional,la temperaturacamerei,nmetanolcasolvent.Sintezade-TCP,maialesla temperatur ambiant, a fost foarte utilizat, dar niciodat studiat i prezentat, conform studiilor de literatur. A fost prezentat ns faptul c resorbabilitatea -23 TCPinvivoarputeafistrnslegatdestabilitateastructuriiacestuia[41].De asemenea, au mai fost prezentate procese similare n soluii apoase [37], dar s-a obinut numai CDHA, n loc de faz -TCP. Convenional, pudrele -TCP sunt sintetizate via procese n stare solid i metodechimiceumede.Aldoileagrupdemetodeafostutilizatcuprecdere pentruaobineapatitdeficientncalciu(CDHA),cuformulachimic Ca9(HPO4)(PO4)5(OH).Raportulmolar Ca/P nCDHAeste acelaica icel din TCP,iCDHAeste de regul calcinatpeste700-800C pentruasetransforma n -TCP, conform urmtoarei ecuaii[40]: Ca9(HPO4)(PO4)5(OH) 3 Ca3(PO4)2 + H2O(1.1) Prin reacia n faz solid a doi precursori disponibili comercial, i anume fosfattricalcic(TCP)ihidroxiddecalciu(Ca(OH)2),s-aupreparat[28,31] pudre de -fosfat tricalcic (-TCP) pur, hidroxiapatit (HA) i o mixtur bifazic decompozitedeHAi-TCP.Acetireactaniaufostamestecainraporturi molare de la 3:0 pn la 3:4 n ap deionizat, apoi tratai termic n domeniul de temperaturi 600-1250C. n timp ce fosfatul de calciu i hidroxidul de calciu luai nraportmolarde 3:2i3:3au condusla HApur latrataretermicla 1000C pentru8ore,compoziiilecuraporturimolarede3:1i3:1,5aucondusla amestecuribifazicedeHAi-TCPpentrutratamentetermicesimilare. Tratamentul termic pentru o compoziie curaport molar de 3:4 de fosfat tricalcic i hidroxid de calciu la 1000C a condus la HA cu CaO liber ca faz secundar. Produsele tratamentului termicla temperaturimaimari(1150i 1250C)pentru perioade de timp chiar mai scurte (2h) sunt diferite pentru produii cu un procent mai mic de HA coninnd ca faz secundar -TCP sau CaO, n timp ce n cazul n care se obin -TCPpur i HApur, la 1000C sau temperaturimaimari, nu apar diferene[28]. Observaiile grupului Ramachandra Rao i colab. [28] sunt n concordan cuceleprezentatedeOsakaicolab.[42]pentrucazulreacieideprecipitare dintre hidroxidul de calciu i acidul ortofosforic pentru un nivel larg de rapoarte 24 iniialeCa/P(pentruaobineamestecuriHA--TCP,HApuriamestecuri HA+CaO), dependent de temperatura reaciei. Ceramicidefosfatdecalciuaufostpreparateinsitunprezende polimeracidpoliacrilic(PAA)namestecap-metanollatemperatura camerei[43].FunciilepolimeruluiPAAaufostattdeagentdedirecionarea structurii,ctideretardantdecristalizare,nscopulmanipulriidezvoltrii cristalelorrezultate,careprezintoconfiguraiedeinteriordescoic,cuun stratsubiredemoleculedePAA.S-adescoperitfaptulcpentrusoluiicuo proporiemaimaredeap saudemetanol,sepotdezvoltafazepuredeCDHA sau -TCP,n loc defazintermediardefosfatdecalciuamorf(ACP).Pentru condiiiintermediare,cumarfifraciunide15-90%metanol,ACPs-aformat doar cnd PAA s-a situat ntr-un domeniu limitat de concentraii. Ca i precursori s-au utilizat Ca(CH3COO)2.xH2O i H3PO4 de puritate nalt. S-a concluzionat c s-au dezvoltat bine fazele de CDHA i -TCP, n mediu de ap pur i metanol. Cristalinitatea ambelor faze a sczut cu creterea concentraiei de PAA, indicnd efectul retardant al moleculelor de PAA asupra creterii cristalelor. n amestecuri ap-metanol, concentraii sczute de metanol favorizeaz formarea fazei ACP la concentraiisczutedePAA,fazaamorfrmnndstabilstructuralcu creterea concentraiilor de metanol i PAA. La utilizarea de mai mult dect 50% metanol,nspecialntre75i90%,ACPparessedezvoltegreu,ntimpce CDHAseformeazuor,nparticularcuamestecuriconinndmetanolntr-o proporie mai mare.DeiformareainsitudenanocompoziteHA-polimerafostdescrisn literatur[44-46],nuaufostanalizatendetaliunanostructurisauevoluiide faz.Formareainsitudenanocompozitenamestecuriap-alcoolnuaufost niciodatsistematicstudiateiprezentatenliteratur[47].Dintrealcooli, metanolulatrezitinteresuldatoritefectelorhidrofobeidemodificarea structuriisupramoleculareaapei,putndastfelinducemodificrinstructura supramolecular a solventului. Lerner i colab. [48] au prezentat faptul c se pot 25 obinepudreHAcudiferitegradedecristalinitate,delastructuriamorfela structuri bine cristalizate, cu variate proporii etanol/ap.Carrodeguasicolab.[49]aupropusonourut,hidrotermal,pentru preparareademonoliidefosfatdecalciu.Maiintiunlamde-TCP/acid ortofosforic a fost turnat n forma care este considerat final pentru a se obine unbloccompusdinfosfatdicalcicdihidrat(DCPD)i-TCP.Acestbloceste apoitratatn1.0MNa2HPO4la60CpentruahidrolizaDCPDnCDHAi OCP.Rezultatulesteopiesmonoliticcepstreazformaimrimeainiial, daresten schimbcompusdin CDHA,OCPi-TCP.n timpul fazei iniiale, cnd pH-ul este uor alcalin, produsul hidrolizei DCPD este CDHA. Totui, dac seatingeunpHneutrusauuoracid,sevaformaOCP.Probeletestprocesate prinaceastmetodauprezentatoconversiecompletaDCPDnCDHAi OCPdup112oredehidroliz,icuorezistenlacompresiede16,2MPa, similarosuluinatural.Procedurarespectivareaplicaiilimitatedatoritunei seriidefactoricumarfi[49-51]:gradieniidepresiunecauzaideforelede frecaredintreparticule,contraciilemaricareaparlauscareisinterizare, materiile prime toxice sau scumpe, etc.Pedealtparte,lamurisaupastefluidedecimenturidefosfatdecalciu pot fi obinute uor n practic orice form dorit, prin turnare n forme nainte de ntrirea definitiv, fr contracii sau expansiuni. Unul dintre cele mai simple i ieftine cimenturi de fosfat calcic este cel pe baz de -TCP i H3PO4, dezvoltate istudiatedectreBohnericolab.[52].ntrireamaterialuluinacesttipde cimenturiaparecarezultataldizolvrii-TCPiprecipitriiuneireelede cristaledefosfatdicalcicdihidrat(DCPD),careleagparticulelermasede-TCP.Principalelelimitrialecimentului-TCP/DCPDpentruaplicaiiclinice sunt viteza de resorbie excesiv in vivo, pH-ul iniial sczut i duritatea sczut.OaltposibilitatedeconvertireapudreloriacoperirilordeDCPDn apatiteestehidrolizanCaCO3apossauNH4OH,KOH,NaOH,fluoruride amoniusaualcaline,Na2HPO4insoluiiHankmodificatesau 26 nemodificate[52]. Dac hidroliza DCPD este realizat n soluie de NaCOOCH3 sau n soluii coninnd nivele sczute de ioni de Ca2+, la pH=7 sau 7.5 i la 25, 37sau60C,sepoatedeasemeneaproducefosfatoctacalcic(OCP),conform ecuaiei[52]: 8CaHPO4.2H2O(S) + 2Na2HPO4(aq.) Ca8H2(PO4).5H2O(S) + 4NaH2PO4(aq.) + 11H2O(1.2) OCPesteuncunoscutprecursordeapatit,caresetransformgradualn apatitncondiiidepH,concentraieionicitemperaturexistentenmediul fiziologic. Ambele CDHA i OCP sunt mai insolubile i au o vitez de resorbie maimicinvivodectDCPD.Maimult,acesteaproducunpHcuovaloare aproapedeceanaturalntr-unmediuapos,comportamentdiferitdecelal DCPD care poate induce necroze datorit caracterului su acid[49].innd cont de toate acestea, ar trebui s fie posibil utilizarea cimentului de-TCP/H3PO4caimaterialdestartpentrupreparareademonoliide DCPD/-TCPprinturnarenformeintrire,urmatdetransformarea constituentului DCPD al cimentului ntr-o form mai biostabil i biocompatibil de fosfat de calciu, cum ar fi CDHA sau OCP, prin hidroliz n soluie apoas de Na2HPO4.nacestfelesteposibilmanufacturareaunuidomeniulargde implanteosoasedin monolii de fosfatcalcic,cuformecomplexe i dimensiuni mari, ns doar pentru aplicaii nesolicitante n privina sarcinii (forei). Hwangicolab.[53]auexperimentatpreparareadenanopudredefosfat calcic printr-o metod de pulverizare electrostatic asistat de sol-gel. 2.2.1.5 Fosfai tricalcici coninnd zinc Estededoritcaunimplantchirurgicalsprezinteefectefarmaceutice precumpromovarearegenerriiesuturilor.Materialelepentruimplante chirurgicalerecunoscutepentrunlocuirideesutdurprecumtitanul,alumina, hidroxiapatitaHA,fosfatultricalcic(-TCP)isticleleceramicesunttoate biocompatibile, prezentnd abilitatea de legare osoas direct de material sau prin intermediulunoresuturidelegturinterfacialefibroase.Totui,aceste 27 materiale nu au efecte farmaceutice de intensificare a formrii osoase, inhibare a resorbieiosoasesauintensificarearegenerriiesuturilor.Eliberarealenta zinculuincorporatntr-unmaterialdeimplantpoatepromovaformareaosoas njurulimplantuluiiaccelerarecuperareapacientului.Zinculesteunelement esenial cu efect stimulator asupra formrii osoase in vitro i in vivo. Coninutul dezincvariazntre0.0126pnla0.0217%nosulumaniesterelativmai ridicatdectconinutulmediudezincnesutulneadiposuman(0.003%)in plasm[54,55].Laoconcentraiede100mM,zinculcreteconinutulde proteinosoas,decalciuiactivitateafosfatazeialcalinelaobolaninvitro [56].Odozredusdezincadministratobolanilorarecarezultatcreterea activitii fosfatazei alcaline i coninutul de ADN n esutul osos [56]. Pe de alt parte,zinculinhibresorbiaosuluiosteoclasticinvitro.Zincultrebuieeliberat ncetdinimplantdeoarecezincullaunnivelcrescutinduceefecteadverse. Pentruoeliberarelentdezinc,-TCPesteunuldintreceimaiadecvai transportori. Structura cristalului -TCP prezint un sit atomic, cunoscut ca i sit deMg,carepoatencorporacationidivalenicuorazioniccuprinsntre 0.060 i 0.080 nm [56].Raza ionic a zincului este 0.075 nm. Ceramicile -TCP suntputernicbiocompatibileiseresorbncetnesutulosos.Deaceea,afost selectat -TCPconinnd zinc (ZnTCP; Ca3-xZnx(PO4)2)caitransportorpentru zinc cu eliberare lent[56]. PudraZnTCPafostdeasemeneapreparatprinmetodasol-gel,similar celeidescrisenliteratur,cudietoxiddecalciu,acidfosforiciacetatdezinc [57, 58].LeGerosicolab.[59]aupreparatpudrede-TCPconinndcantiti variate de zinc i a fost examinat coninutul optim de zinc din punct de vedere al proprietilor hidrolizeiialcitocompatibilitii.-ZnTCPmonofazicconinnd zincdela0,00la1,26%(procentedemas)s-aobinutprinnclzirea-TCP coninndzincla1450C.Launconinutdezincde0,11%,nus-aobservato diferen semnificativ ncantitatea de apatitcustructur slab cristalin i Ca-28 deficient care s-a format prin hidroliz ntre TCP pur i -ZnTCP. Hidroliza -ZnTCPafostsemmnificativredusprinncorporareadezincla,saumaimult dect 0.26%, datorit efectului inhibitor al zincului asupra creterii cristalelor de apatit. Pentru studii de compatibilitate s-au utilizat celule MC3T3-E1, cultivate cu -TCP pur i 0,11 % Zn[42].ItoA.icolaboratorii[60]s-auocupatdedoparea-TCPcuZnpentrua obinebiomaterialeeliberatoaredezinccarespromovezeformareaosoas. Pudrede-TCPdopatcuzinc,-TCPiHAaufostamestecatelaunraport molar(Ca+Zn)/Pde1.6,urmatdesinterizarela1100Cpentruoornscopul formrii unui corp dens. Corpul dens este o ceramic compozit constnd n faze -TCPdopatcuzinciHA.Compozitaceramicconineoxiddezincatunci cndconinutuldezincafostmaimaredect1.20%.Oastfeldecompozit ceramicelibereazzincncondiiifiziologice,invitro;cutoateacestea eliberareadecalciuifosfatasczutcucretereaconinutuluidezincntr-un domeniumaimaredect1.2%datorituneiscderiasolubilitiifazei-TCP dopatcuZn.ProliferareacelulelorosteoblasticeMC3T3-E1acrescut semnificativncazulcompozitelorceramicecuunconinutdezincntre0.6i 1.2%comparativcucelefrzinc.Atuncicndconinutuldezincafostmai maredect1.2%,eliberareadezincdinoxiduldezinccauzeazcitotoxicitate. Deaceea,coninutuldezincalceramicilorcompozitetrebuiesfiemaimic dect 1.2% . 2.2.2 Biosticla i ceramicile de sticl S-ademonstratfaptulcbiosticlaiceramiciledesticlebioactivesunt osteoconductive [9, 61], acest fapt fiind pus pe seama formrii unui strat relativ grosdeCaPpesuprafaaacestora.Maimultetipuridebiosticleiceramicide biosticleaufostrealizatesubformdegranule, particulesaumascompacti aplicateclinicsinguresauncompozitempreuncualtebiomateriale[9].Ca 29 proprietiilimitriacesteasuntsimilareceramicilorfosfat-calcice,ns anumite sticle prezint rezisten mecanic mai mare dect ceramicile [62]. Da Silva i colab. au prezentat[10] o clas nou de biomateriale proiectate dinHAntritcusticl,GR-HA(glassreinforcedHA),caredezvolt bioactivitatemareiproprietimecanicemaibunecomparativcufazadeHA. GR-HA poate fi produs prin amestecarea de HA i sticle bioactive. La adaosul de sticl pe baz de CaO-P2O5 hidroxiapatitei, urmat de sinterizare, faza sticloas reacioneaz cu HA. Fazele prezente vor depinde de temperatura de sinterizare i decompoziiasticlei[31,63].naplicaiincareseintenioneazocretere osoas,este beneficnparticulars existefazebioresorbabile precum-TCPi -TCP,deoareceacestefazesuntcunoscutecafiindmaisolubiledectHA. Acestefazeresorbabilepotfisubstituiteprinformareanouluiesutososide aceeaariadefectuluiosospoateficompletregeneratmeninndmorfologia original. Pentru c acest lucru este posibil, degradarea in vivo a bioceramicii ar trebui s fie similar vitezei de formare a noului esut osos [10, 31, 63]. S-adezvoltatometoduscatpentruproducereadespecimeneporoase GR-HApentruaplicaiiundesecerecretereosoas[64,65].Ulterior,o hidroxiapatit ntrit cu sticl (GR-HA), brevetat, al crei nume comercial este Bonelike [10], constnd din HA i o sticl pe baz de CaO-P2O5, a fost utilizat camaterialdebaznobinereadeastfeldespecimene.CeramicaGR-HA, constndnHAi4.0%greutatedintr-osticlpebazdefosfat,afost caracterizatprinSEM,porozimetriecumercur,testedendoirecuanaliza statisticWeibull,testedecompresiune,microduritateideterminride rezisten la fracturi utiliznd ecuaiile lui Laugier, Evans i Lawn modificate de Nihara[10].Densitateamasei,distribuia dimensiunilorinterconexiunilordintre poriifraciilevolumelorporilorprobeloraufostdeterminatentr-unstudiu anterior [64]. Testele de ncovoiere n bare standard ca densitate au fost efectuate pentruadeterminamodululluiYoungpentrumaterialuldens.nacestscop, 30 barelededensitatestandardizataufostproduseprinpresareuniaxialla44 MPa i sinterizare la 1300C timp de o or la o vitez de nclzire de 4C/min.Aufostpreparatetreicompoziiidiferitedesticl[66](xCaO-(0.55-x)Na2O-0.45P2O5,x=0.3,0.4,0.5)utilizndP2O5,NaH2PO4iCaCO3camaterialede start.Precursoriicalculailacompoziiistoechiometricealesticleiaufost cntrii i tratai termic ntre 1100 i 1250C. n special pentru sticle cu coninut deCaOde50%,s-aavutgrijlatopireaplicndu-seocreterentreptea temperaturii, de la 1100 la 1250C la intervale de 30 de minute, pentru o topire complet.PudraHAdisponibilcomercialisticleleobinuteaufostutilizatepentrua fabrica lamuri pentru acoperiri din compozite. Aria suprafeei specifice a HA i apudrelor de sticl, msurat prinmetoda Brunauer, EmmettiTellerafost de 43,6 i respectiv 6,3 m2/g[66]. 2.2.3 Cimenturi de fosfat de calciuLimitrile ceramicilor (fie ceramici de fosfat calcic fie sticl ceramic) au dat natere dezvoltrii de cimenturi de fosfatcalcic.Acestea au n generaldou componente,pudracimentuluiisoluiacimentului[9,67].Pudreledeciment sunt n mod normal amestecuri de diferii fosfai de calciu. Cnd se amestec cu soluia de ciment, fosfaii de calciu hidrolizeaz i se formeaz noi cristale, care secombiniapoipastadecimentsentrete.Cimenturiles-audoveditafi biocompatibile, osteoconductive, a avea suficient rezisten mecanic n scopul umpleriiosoaseivitezderesorbiecontrolabil.Acestematerialesunt recunoscutecaparteaosuluiiresorbitedeosteoclastenprocesulremodelrii osoase[9]. 31 Fig.2.2 Bioresorbia unui ciment de fosfat de calciu, implantat n femurul unui cine pentru 6 luni [9] Fiind manipulat sub form de past, cimentul asigur umplerea perfect a defectului osos n ceea ce privete forma, dar nu reprezint un material suficient derezistent pentru umplereasiturilorpurttoare degreutateiresorbialorin vivo nu este ntotdeauna predictibil.S-aprezentat[67]sintezauneipudredecimentdetetracalciufosfat (TTCP), care a demonstrat proprieti mecanice excelente i rspunsuri biologice bune, alturi de timpi de reacie i sedimentare relativ scuri. 2.2.4 Acoperiri de fosfat de calciu Ceramiciledefosfatdecalciu(CaP)auatrasateniapentruutilizrica substituteosoasedatoritosteoconductivitiiibioactivitii[8,68,69]. MajoritatearapoartelorcliniceasupraceramicilorCaPauartatlegareadirect deosaacestoraiosteointegrareacomplet[8].Totui,proprietilemecanice slabe, cum sunt duritatea i soliditatea la fracturi, au limitat aplicarea acestora n implantedeesutdur[8].Unsistemsubstrat-acoperire,spreexemplustraturi CaP pemateriale dure(rezistente lasolicitri nmateriede greutate), cumsunt ZrO2 i Al2O3, i metalele (Ti i aliajele sale), reprezint o soluie de combinare a beneficiilor mecanice i biologice [8, 11]. Acoperirile de ceramici compozite pe structuridureconstituieosoluietehnicdincencemaifolosit,datorit beneficiilorcombinate.S-audezvoltattehnicimenitestransformematerialele 32 dure,darnon-osteoconductive,nmaterialeosteoconductive.Dispozitive metalice acoperite cu fosfai de calciu sunt disponibile comercial pentru utilizri clinice.Una dintre celemaipopularetehnici este pulverizareacu plasm[9, 12], daraceast tehniceste limitat ladispozitivecuo form simpl,deaceea sunt necesaretehnicideacoperireasuprafeelorbiomaterialelorcuostructur complicat.KimH.K. icolab. [70]aurealizat acoperiri peTiO2 prinpulverizarecu aeriplasmiauinvestigatrspunsulceluleidetiposteoblastcuvariaia parametrilorprocesuluideacoperire,ncorelaiecuproprietileacoperirii, pentruaevaluadurabilitateaibiocompatibilitateaimplantuluicusuprafaa modificat.Pulverizareadeplasmconstfundamentalninjectareadepudre ntr-uncurentdirectdeplasmnjet,undeacesteasunttopiteiaccelerate,i apoifluxuldeparticuletopiteestedirecionatspreunsubstratundeformeazo acoperirepemsurcesemprtieisesolidific[70].Pentruastudia proprietile acoperirii i a le aplica unui mediu nou, microstructura acoperirii i mecanismul de formaretrebuie nelese prininvestigarea temperaturii, vitezei i distribuieidimensiunilorparticulelorincidenteiinterrelaiilorntreacestea, precumistudiereadependeneidevitezadedispersieagazului,distana pulverizrii i de rata de distribuie a pulberilor[71].ScopulprincipalalaplicriideacoperirideHApealiajemetalice,spre exempludeTi,afostaceladeamenineproprietilemecanicealesubstratului metalic i a obine avantaje n privina biocompatibilitii acoperirii i n acelai timp a similaritii chimice cu osul. Cercetrile sugereaz ns faptul c prezena uneiinterfeeacoperireHA/aliajTi,potenialslab,arecarezultatformareade fragmentedetaate,cuefecteadverseasupraimplantelorsauesuturilor nconjurtoare[70].FazadeHAamorfesteinevitabilntimpulpreparriide acoperiri HA prin depunere cu pulverizare de plasm, general acceptat ca fiind maisolubil invitro imai degradabil invivo dect fazacristalinHA.nmai 33 multestudiiinvivos-adescoperitcsuprafeelerugoaseproducfixriosoase maibunedectsuprafeelefine [70].Contraracestora,o suprafa prearugoas promoveaz atracia macrofagilor dect vindec. Studii in vitro au demonstrat de asemeneafaptulcrugozitateasuprafeeiafecteazrspunsulcelulariacest lucrusentmplincazulosteoblastelor,deoarececeluleledetiposteoblast dezvolt un ataament iniial pronunat fa de suprafeele rugoase de Ti[70].S-auutilizatbazeletehniciiTaguchi[70]pentruadeterminaicuantifica parialcarevariabilealedepuneriiauceamaimareinfluenasupra proprietiloracopeririiTiO2.TehnicaTaguchiesteometodstatisticutilizat pentruadeterminaefectivinfluenanumeroaselorvariabileasupraunuiproces dat.Eficienacrescutafostobinutprinutilizareadeseriiortogonalecare permit s se studieze o fraciune mic din combinaiile posibile de factori. Ferraz i colab.[72] au fabricat acoperiri din compozite sticl-HA utiliznd o tehnic cu pulverizare de plasm, care au prezentat un rspuns celular favorabil in vitro. Pulverizareatermictindesdevinunadintrecelemaiutilizatetehnici deacoperire[12],darnsituaiicliniceestedificildeprodusunrspunsde resorbiecontrolabilutilizndimplanteacoperiteprinaceastmetod.Pots aparproblemedatoritschimbrilorcompoziionalenHAntimpul pulverizriila1600Cidistribuieiinegaleamaterialuluipulverizat,avndca rezultat lacune.Altetehnicicapabilesproducacoperirisubiriincluddepunerilei pulverizrile cu laser cu impulsuri, care, la fel ca i pulverizarea termic, implic temperaturi nalte.Tehnicicapabilescreezenanoacoperiri,cumsuntelectrodepunereai sol-gel,utilizeaztemperaturisczuteideaceeaseevitproblemeleasociate instabilitii structurale a HA la temperaturi mari[12]. Avantajele tehnicii sol-gel sunt numeroase: nivelul nanoscalar; se obin acoperiri stoechiometrice, omogene i pure, datorit amestecrii la nivel molecular; permite reducerea temperaturilor 34 dearderedatoritdimensiunilormicialeparticulelorcuariemareasuprafeei; areabilitateadeaproducestructuriuniformecugranulaiefin;permite utilizarea diferitelor ci chimice (pe baz de alcoxizi sau mediu apos); este uor deaplicatncazulformelorcomplexe.Actualmente,HApurmonostratde40 nm sau apatite carbonatate se obin cu uurin. Acoperirile multistrat de pn la 12 straturi sunt uor de obinut[12].Recent, s-au dezvoltat acoperiri de HA pe schelete poroase de ZrO2 printr-ometodculamurinpudr[73].S-auobinutstraturideacoperirirelativ groase (20-30 m). Totui, morfologia acoperirii a fost microporoas, i de aceea tria adeziunii a fost mai mic dect 25 MPa. Mai mult, temperatura de procesare artrebuisfieridicat(>1200C)pentruaconsolidapudreleHA[73].Nun ultimulrnd,pentruaobinecomportamentecelulareinvitrofavorabile,stratul deacoperiretrebuiesfiembuntitntermenidetriemecanici bioactivitatepentruutilizarecaimplantedeesutdur.Dacstratuldeacoperire este slabinu ader suficient la substrat, osteointegrarea esutului implant va fi dificil.Maimult,comparativcuosulumanreal,HAsinterizatareoratde dizolvaremultmaimicibioactivitatesczut[8].inndcontdeacestea,o fazsticloasafostintrodusnacoperireadeHA.Sticlele,nspecialcelepe bazdefosfat(sticleleP),seateaptsofereunpotenialridicatsistemului acoperirii de HA datorit similaritii chimice i bioactivitii crescute [8, 69]. n plus,temperaturadetopiresczut(porci i cini>capre i oi>iepuri i oareci[9].Tabel 2.1 Tipuri de biomateriale pe baz de fosfat de calciu, metode de obinere i caracteristicile produsului obinut Biomaterial Metod de sintez Precursori Forma de prezentare Caracteristici produs Referin ncorporare de ioni prezeni n mod normal n matricea osoas (CO32-) 16 Sol-gel [Ca(OEt)2], [P(OEt)3]/[HOP(OEt)2] Cristale HA sub form de discuri HA monofazic 19 Spumare pe suport de gel, urmat de sinterizare Suspensii ceramice Spume de HA Spume macroporoase puternice, necitotoxice, porozitate 85-90%, duritate potrivit 21, 22 Adiia de fibre scurte (fulgi), prin sintez hidrotermal, precipitare omogen, sintez solid la temperaturi mari sau sisteme sol-gel SiC, C, Si3N4, Al2O3, ZrO2, fibre metalice + hidroxiapatit Fulgi sau fibre de HA Fulgi sau HA fibroas, cu cristalinitate redus i stabilitate termic inferioar 23-26 Sintez hidrotermal -TCP + acid citric Cristale aciculare Cristale aproximativ aciculare de dimensiuni reduse 23 Reacie solid + tratament termic Fosfat de calciu tribazic + hidroxid de calciu Cristale HA HA pur 28 HA Hidroliz n condiii determinate de pH -TCP Ceramic dens sub form de fulgi HA sintetic cu stabilitate termic crescut, particule elipsoidale 29 HA din coral Dubla conversie, sol-gel Coral Cristale HA HA monofazic, durabilitate, longevitate, rezisten n mediul fiziologic i rezisten la solicitri 32-34 Sinteza in-situ, coprecipitare P(CH3COO)2Ca.xH2O + H3PO4 Nano-cristale CDHA Pudre cu morfologie uor acicular 13, 14 Sinteza in-situ (CH3COO)2Ca.H2O, Ca(NO3)2.4H2O, H3PO4/ (NH4)H2PO4 Cristale aciculare Produs acicular, poate forma uor agregate cristaline la concentraii mai mari i amestecare rapid 37, 38 CDHA Sintez in-situ, prezena acidului poliacrilic Soluii apoase cu diferite valori de pH Cristale aciculare Cristale nanostructurale, forma depinde de pH i de concentraia soluiei de PAA 39 Sintez la temperatura camerei, n metanol/soluii apoase + calcinare Pudr -TCP Cristale nanodimensionale 37, 40, 41 Reacie solid, tratament termic Fosfat tricalcic TCP + hidroxid de calciu Pudre +TCP pur, HA pur i mixturi bifazice, unele cu CaO ca faz secundar 28, 31 Fosfai tricalcici (, ) Precipitare Hidroxid de calciu + acid Pudre Amestecuri HA -TCP, HA pur i amestecuri 42 46 ortofosforic HA+CaO, dependent de temperatura reaciei Sintez in-situ, n prezen de polimer acid poliacrilic PAA, n amestec ap-metanol la temperatura camerei Ca(CH3COO)2.xH2O + H3PO4 Cristale cu configuraie interior de scoica cu un strat subire de PAA Faze de CDHA, -TCP i TCP amorf, pure sau amestec, dependent de proporia ap-metanol i concentraia PAA 43 Sintez hidrotermal lam -TCP/acid ortofosforic, Na2HPO4 Monolii de fosfat calcic Pies monolitic cu forma i mrimea iniial, compus din CDHA, OCP i -TCP 49-51 Turnare n forme a lamurilor sau pastelor -TCP + H3PO4 Ciment fosfat-calcic Ciment -TCP/DCPD, cu cristale de DCPD care leag particulele -TCP 52 Pulverizare electrostatic asistat de sol-gel Nanopudre Nanopudre de fosfat calcic 53 Sol-gel Dietoxid de calciu, acid fosforic, acetat de zinc Pudre ZnTCP 57, 58 Hidroliz + calcinare Pudre -ZnTCP Produs monofazic coninnd variate cantiti de zinc 42, 59 Fosfai tricalcici coninnd zinc Amestecarea pudrelor + sinterizare -TCP dopat cu zinc, -TCP i HA Corp dens ceramic Compozit ceramic constnd din faze -ZnTCP i HA, eventual ZnO la coninut mare de Zn al amestecului 60 Granule, particule, mase compacte Aplicate singure sau n compozite mpreun cu alte biomateriale 9, 61, 62 Amestecare HA i sticle bioactive + sinterizare HA + sticle pe baz de CaO-P2O5 Sticl bioactiv Specimene poroase HA ntrit cu sticl (GRHA), bioactivitate i proprieti mecanice superioare celor ale HA 10, 31, 63 64 Biosticla i ceramici de sticl Diferite scheme de tratament termic P2O5, NaH2PO4, CaCO3 Sticl fosfatic Folosit pentru acoperiri bioactive 66 Cimenturi de fosfat de calciu Pudr de ciment fosfatic Pudr de ciment de tetracalciufosfat TCP, cu proprieti mecanice i rspuns biologic bun, timpi de reacie i sedimentare relativ scuri 67 47 2.4 Fosfonaii organici poteniale biomateriale pentru grefe umane?[103] Aciziifosfonicisunt compuiorganiciconinnd una saumaimulte grupri de tipul: C POOHOH iarprinnlocuireacelordoiprotonicudoiradicaliorganiciseobinfosfonaii, coninnd una sau mai multe grupri C-PO(OR)2 (R=alchil sau aril) Fosfonaiisuntsimilarifosfailor,cuexcepiafaptuluic posedolegtur C-P n locul legturii C-O-P. Introducerea unei grupri amino n molecul pentru a obine NH2-C-PO(OH)2 crete capacitatea fosfonailor de a lega ionimetalici, iar stabilitateacomplecilormetalicicretecucretereanumruluidegrupri(C-PO(OH)2).ntimpceaciziifosfonicisuntparialsolubilinap,fosfonaiisunt puternic hidrosolubili;n schimbfosfonaiisunt puinsolubilin solveniorganici. Fosfonaii nu sunt volatili; se folosesc ca ageni de chelatizare, mai ales pentru ioni metalici di- i trivaleni. n apele naturale se gsesc compleci ai fosfonailor cu Ca i Mg. Fosfonaiireprezintunadinceletreisursedeintroducereafosfatuluin celulelebiologice,alturidefosfatulanorganicidecelorganic.Fosfonaiisunt absorbiislabntractulgastro-intestinalimareparteadozeiabsorbiteeste excretatrapidprinrinichi.Segsescadeseanorganismelevii,delaprocariote, molute, insecte i altele.Datoritsimilaritiistructuralecuesteriifosfatici,fosfonaiiacioneaz adesea ca inhibitori ai enzimelor, n parte datorit stabilitii legturii C-P.48 Pelngproprietateadeagenidechelatizare,fosfonaiimaiprezint2 importante caliti, i anume: inhib creterea cristalin i sunt deosebit de stabili n condiii chimice dure.Ca i utilizri ale fosfonailor, amintim: ape industriale de rcire, sisteme de desalinizare,cmpuripetroliere,stabilizatoriaiperoxizilorpentrunlbiren industriatextililafabricareahrtieiicelulozei,detergeni.Utilizarean medicin capt o importan din ce n ce mai mare, pentru a trata diferite afeciuni demetabolismcalciciboliosoase,ideasemeneacaitransportoripentru radionuclizi n tratamente de cancer osos.Cererea de fosfonai nregistreaz anual o cretere de 3%. Bisfosfonaii (difosfonaii) reprezint derivai care posed un schelet comun P-C-P: O P C P OOOR1R2OO CeledougrupriPO3legatecovalentdecarbondeterminattnumelede bisfosfonat,ctifunciilelor.Catenalung(R2ndiagram)determin proprietilechimice,moduldeaciuneitriabisfosfonailor.Lanulscurt(R1) adeseanumitcrlig,influeneazmaialesproprietilechimiceifarmaco-cinetice.Bisfosfonaiiaufostdezvoltainsec.XIX,daraufostmaintiinvestigai nanii1960pentruutilizarentulburridemetabolismosos.Bisfosfonaiiaufost sintetizai pentru prima dat n 1897 de ctre Von Baeyer i Hofmann.Pnnprezentnusecunoateposibilitateaapariieinaturaleabis-sau polifosfonailor.49 Iniial bisfosfonaii au fost proiectai pentru a fi utilizai n scopul prevenirii dizolvrii HA, principalul mineral osos, i prin aceasta s stopeze pierderea osoas. Mecanismul de aciune a fost demonstrat ns abia la nivelul anilor 1990.nfarmacologiebisfosfonaii(numiiidifosfonai)reprezintoclasde medicamente care inhib resorbia osoas. Se folosesc n prevenirea i tratamentul osteoporozei,osteitei(boalaosoasaluiPaget),metastazosoas(cusaufr hipercalcemie), mielom multiplu i alte afeciuni care implic fragilitate osoas.Dintotaluldebisfosfonatresorbit(oral)sauinfuzat(intravenos),circa50%se excretnemodificatprinrinichi,iarcantitatearmas,avndafinitateputernic pentru esutul osos, este rapid absorbit pe suprafaa osoas.Anumiibisfosfonaiadministraiintravenoss-audoveditamodificaevoluia metastazeimaimultorformedecancer,iarrecentbisfosfonaiiaufostutilizai pentruareduceposibilitateafracturilorlacopiicuosteogenesisimperfecta.Din pcate, aceeai clas de compui prezint o serie ntreag de efecte secundare destul de neplcute.

50 Cap.3 Cinetica reaciilor n faz solid 3.1 Noiuni introductive Studiulcineticalreaciilornfazsolidserealizeazcelmaifrecventpe baza determinrii gradului de transformare al reactanilor (sau al unei mrimi fizice sauchimiceproporionalecuacetia)nfunciedetimp,pentruanumitecondiii stabilite (temperatur constant, presiune constant, etc). Dependenele studiate sunt exprimatefuncionalnecuaiicinetice,acrorliniarizarepermitedeterminarea parametrilorcineticidinecuaiilepropuse.Utilizareadatelorcineticenscopul determinriianumitorcaracteristiciiadeducerii,cuajutorulacestora,a mecanismelordereacie,impunennumeroasecazurioateniedeosebiti corelareadatelorobinutecuinformaiilectmaidirecteasupramodificrilor structurale. Particularitile reaciilor ntre solide fac necesar luarea n considerare aunordificultispecificeacestuidomeniu,cumarfidistrugereatotalafazelor solidereactanteiaplicabilitatearedusanoiuniideordindereacie[104],sau necesitateadifuzieicaicondiiesine-qua-nonareaciei,fadelichideigaze unde are loc o amestecare la nivel molecular cu meninerea uniform a concentraiei reactanilor la nivelul zonei de reacie[105]. Dacdateleexperimentalepermitutilizareanoiuniiuneilimitedeseparaie geometricntrereactani,vitezaglobalareacieipoatefidefinitnraportcu vitezadeavansareainterfeeidereacie(respectivvariaianfunciedetimpa grosimii sau a greutii stratului de produs al reaciei)[106]. Considerm o reacie chimic n forma general: aA + bB = cC + dD Presupunem c reactantul A se gsete n cantitatea cea mai mic (n comparaie cu ceilaltireactani,respectivB),deaceeaelnumindu-sereactantlimitativ(la terminarea reaciei acesta dispare din sistem, fiind total transformat n produi).51 Gradul de conversie, , este dat de relaia [107]: 01aa = (3.1) unde a0 i a reprezint numrul de moli din reactantul limitativ prezeni n sistem la momentuliniial,respectivlamomentultoarecare.Vitezadereacienacest context se definete ca variaia gradului de conversie n funcie de timp:

dtdv=(3.2) sau, conform legii aciunii maselor:( )nk v = 1(3.3) undekesteconstantadevitezsauconstantacinetic(constantacaretranform proporionalitateaconcentraie-timpntr-oegalitate[108]),iarexponentulnse numete ordin de reacie.Din relaiile (3.2) i (3.3) rezult : ( )nkdtd = 1 (3.4) care se numete ecuaia cinetic diferenial. Cineticachimicreprezintstudiulvitezelordereacie.Dintremotivele pentrucaresecuantizeazvitezauneireaciichimice,dousedesprindcafoarte importante, i anume[109]:- prin parametrizarea vitezei de reacie ca funcie de variabile precum temperatur, presiuneiconcentraie,vitezareacieidevinepredictibilpentruoricesetde condiiiexperimentale,indiferentdacvitezaafostsaunumsuratnacele condiii.Acurateeapredicieidepindedeformafuncionalfolositpentru parametrizareidectdeapropiatesuntcondiiiledeceleutilizatepentrudeter-minarea parametrilor.- se pot investiga mecanismele de reacie. Unul dintre principiile fundamentale este faptulcniciunmecanismdereacienupoatefidoveditdoarpebazadatelor cinetice(sepoateeventualdemonstracunanumitmecanismsepotrivetecu 52 datelecinetice).Vyazovkinpropune[110]folosirea,nlocultermenuluide mecanism,aceluideschemcinetic,definitcaisecvenaformatdinacele etapecareafecteazsauproducomodificareaproprietiifizicemsuratede analizatermic.Deianalizacineticnuesteceamaipotrivitmetodde determinareamecanismului uneireacii,poatetotuifurnizainformaii importante n privina acestuia. Conceptele cineticii strii solide au aprut dintr-o multitudine de experimente efectuate n regim izoterm, cu mult nainte ca primele instrumente pentru msurtori nregimneizotermsdevindisponibilecomercial.Formalismulcaracteristic cineticii izoterme a fost extins la cinetica neizoterm.Cinetica reaciilor eterogene n faz condensat este descris de obicei de relaia: ) ( ) ( f T kdtd = (3.5) undek(T)reprezintconstantadevitezdependentdetemperaturif()este funcia de conversie numit i modelul reaciei, care descrie dependena vitezei de reaciedegraduldeavansarealacesteia.nmediifluidefunciadeconversiear descriedependenavitezeideconcentraiareactanilori/sauproduilordereacie. n solide, unde micarea particulelor este restricionat i reaciile care au loc depind destructuraiactivitatealocal,conceptuldedependendeconcentraiei pierdeutilitatea.Graduldeavansarealuneireaciidepindedeparametridirect cuantificabiliexperimental,cumarfipierdereademas,transferuldecldursau formarea unui anumit produs de reacie. De aceea, de obicei funcia f() joac rolul uneifunciiempirice.Seregsescn literaturadespecialitatenumeroaseformeale acestei funcii[109], unele dintre ele sunt sugestive sau dependente de concentraie, i de aceea se impun precauii n cazul unor astfel de interpretri. 53 Tabel3.1Modelealternativedereacieaplicateladescriereacineticiireaciilornsistemeeterogenenstare solid[109] Modelul de reacieF()g() 1. Ordin de reacie 2. Ordin de reacie 3. Ordin de reacie 4. Ordin de reacie 5.Difuzie monodimensional 6. Mampel (ordin I) 7. Avrami-Erofeev 8. Avrami-Erofeev 9. Avrami-Erofeev 10. Difuzie tridimensional 11. Sfer care se contract 12. Cilindru care se contract 13. Ordin II | |( ) | || |( ) ( )22 13 213 1 3 22 13 24 312 12 13 24 3) 1 () 1 ( 2) 1 ( 31 1 ) 1 ( 2) 1 ln( ) 1 ( 21 ln ) 1 ( 3) 1 1 ln( ) 1 ( 412 13 2234 ( ) | || |( ) | |( ) | |1 ) 1 () 1 ( 1) 1 ( 11 11 ln) 1 ln(1 ln) 1 ln(12 13 123 12 13 14 122 32 13 14 1 Ecuaia(3.5)esteutilizatadeseanformintegral,carencondiiiizoterme devine: | | t T k d f g = = ) ( ) ( ) (01 (3.6) Pentrucondiiineizoterme,sepoateeliminadependenaexplicitdetimpprin utilizarea parametrului vitez de reaciedt dT = (constant). Astfel: dtddTd =1 (3.7) Relaia (3.6) va lua forma: | | = == 0 01) (1) ( ) (TdT T k d f g(3.8) 54 Pe scar larg se folosete o ecuaie de tip Arrhenius pentru a descrie dependena de temperaturaconstanteidevitez.nlocuindaceastfuncie,ecuaiaanterioara devine: =TdTRTE Ag0) exp( ) ((3.9) undeEiAreprezintparametriArrhenius:energiadeactivareifactorul preexponenial.Utilizndacestformalism,cineticareacieiglobaleestecomplet determinatprincunoatereaacestortreiinformaii:modelulreacieiiceidoi parametriArrhenius,carealcatuiesctripletacinetic.Astfel,dinecuaia(3.6)se poatedeterminatimpulnecesarobineriioricruigraddeconversiepentruorice valoareatemperaturii ncondiiiizoterme,iardinecuaia(3.9)sepoate determina timpul necesar pentru atingerea unei anumite valori pentru orice valoare a vitezei de reacie[109].UtilizareaecuaieiArrheniusncineticastriisolideafostmultdiscutati criticatdinpunctdevederefizic,afirmndu-secaceastecuaiesepoateaplica doarncazulsistemelorsolidecaredezvoltocineticomogen[111,112].Se considercaplicabilitateaecuaieiArrheniusestenprimulrndasociatcu interpretareafizicatribuitvalorilordeterminateexperimentalpentruenergiade activare i factorul preexponenial. Dac aceste valori se interpreteaz n termeni de teoria striidetranziie,ecuaiaArrheniusnupareafiaplicabilreaciilornstare solid.ToateacesteconsideraiiteoreticeduclaecuaiidetipArrheniusncareE estelegatdeentalpiadeactivareiAdefrecvenavibraiilorreelei.Chiardac distribuiaenergeticMaxwell-Boltzmannnusepoateaplicaconstituenilor imobilizaiaiunuisolid,s-aartatcfunciidedistribuieenergeticsimilare caracterizeazcuantaenergeticidaunatereuneiecuaiidetipArrhenius (statistica Fermi-Dirac pentru electroni i Bose-Einstein pentru fononi)[109, 113]. 55 Pedealtparte,unobstacolrealncaleainterpretriicorecteavalorilor experimentalealeEiAreziddinnsinaturaexperimentului.Tehnicile experimentalenuoferoseparareaproceselorelementare(nucleaie,creterea nucleelor), fr complicaiile aduse de difuzie, adsorbie, desorbie sau alte procese fizice. Cu alte cuvinte, tehnicile experimentale implicate n cinetica strii solide nu msoarvitezeledereaciealeetapelorelementare,cimsoarvitezaglobala procesului, care implic de obicei mai multe etape cu energii de activare diferite.ExistncocontroverslegatdesimilaritateaparametrilorArrhenius determinainregimizoterm,respectivneizoterm[109].Multepreriafirmcnu existniciocontradiciefundamentalntreparametricineticiobinuincadrul experimentelorizotermeineizoterme;nsncpersistunsemndentrebare asupraacesteichestiuni,ctiasupralimitelorcapacitiideaprezice comportamentulunuisistemdoarpebazadatelordinanalizatermicnregim neizoterm[114].Existdoumotiveimportantepentruaceastdilem,i anume[109]:-motivulexperimentalconstnaceeacexperimenteleizotermeicele neizotermeserealizeazndomeniidiferitedetemperatur.ngeneralcele neizotermeacoperundomeniumailargdetemperaturi.Pentruodescompunere careprezintmaimulteetapeelementare,contribuiilerelativealeacestoretapela vitezaglobalvariazcutemperatura,ceeacenseamncenergiadeactivare efectivobinutpentruprocesulglobalvaaveavaloridiferitepentrudiferite regiunidetemperatur.Deaceea,sepotobinevalorideincrederepentru parametriArrheniusdoarncazulutilizriiaceluiaidomeniudetemperatur, condiiecarenusepoaterespectacustrictee.Regiuneadetemperaturncarese efectueaz un experiment neizoterm poate fi totui ngustat prin utilizarea de viteze mici de nclzire, pentru a se obine o coresponden ct mai bun.56 -Motivulformal,constndnprocedurantlnitnambeletehnici,defitare foratadatelorexperimentalecudiferitelemodeledereacie.Metodafitriicu modelulnuestensaplicabildatelorneizoterme.Conformmetodei,k(T)se determindinformaf()aleas.ncineticaizoterm,acetitermenisuntseparai princondiiileexperimentuluinsine,k(T)esteconstantpentruTconstant. Determinarealuif()serealizeazprinfitareadatelorexperimentalecudiferite modele de reacie (tabel 3.1). Dup ce termenul f() a fost stabilit pentru o serie de temperaturi,sepoateevaluak(T).Unsingurexperimentneizotermfurnizeaz informaiidespreambelefuncii,darnuntr-oformseparat.Deaceea,aproape oriceformf()poateverificadatele,nscuvariaiimarinvalorileparametrilor Arrhenius,carescompensezediferenadintreformaasumatpentruf()i adevratuldarnecunoscutulmodelcinetic.Unexemplunacestsensestecel prezentatdeVyazovkin iWight[109],careprezintrezultatelefitriia 13modele dereaciepeunsetdedateexperimentale,folosindmetodaCoats-Redfern.Toate liniileseintersecteazntr-undomeniungustaltemperaturiiexperimentale, putndu-seastfelobservacumdiferitemodeleduclaprezicereaunorvitezecu valorifoartediferitelatemperaturisituateuornafaradomeniuluiexperimental.Doaraspectulmatematicalproblemei,relevatprincalculareacoeficienilorde corelare, poate identifica modelul cel mai potrivit. Desigur, astfel de incertitudini nu potconducelaprediciicineticerezonabileinupotconstituiunghidpentru desprinderea de concluzii privitoare la mecanism[109].Unaldoileainconvenientalmetodeifitriiestefaptulcfiecareaplicarea metodeiarecarezultatosingurperechedeparametriArrhenius[109].Ori majoritateareaciilornstaresolidreprezintosumdeproceseelementare,care suntreprezentateprinenergiadeactivarecaresemodificpeparcursul57 Fig.3.1LiniiArrheniuspentrufitareamaimultor modelecineticecuunsetdedateexperimentale. Viteza descompunerii 5 grd/min, interval detemperatur130-210C[109]reaciei. Astfel se ateapta ca cei doi parametri Arrhenius s fie funcii de gradul de conversie, nu valori constante! ncadrulproiectuluiICTAC2000s-aconcluzionat[115,116]cmetodele izoconversionaleiutilizareavitezelormultipledenclziresuntcuadevratutile pentru descrierea corect a cineticii multi-step. 3.2 Metodele izoconversionale i cinetica model-free Parametricineticidencrederesepotobinedoarncazulfolosiriiunei metodeindependentedemodelulreaciei.Metodeleizoconversionalepermit estimrialeenergieideactivareindependentedemodel.Pentruaseobineacest lucru,serealizeazoseriedeexperimenteladiferitevitezedenclzire.Apoise poateaplicaprincipiulizoconversional,conformcruiavitezadereaciela conversie constant este funcie doar de temperatur[109].R EdTdt d d =

1) ln( (3.10) Indicele semnific valorile corelate cu o anumit valoare a conversiei.58 MetodasugeratdeFriedman[107]utilizeazoformdiferenialaecuaiei de vitez:( ) | |RTEf Adtd = ||

\| ln ln (3.11) n timp ce metoda Flynn-Wall-Ozawa [117-119] utilizeaz aproximaii ale ecuaiei integrale (3.9), conducnd la ecuaii liniare simple pentru evaluarea parametrului E: ()RTEdTdfA

= ln ln (3.12) Analizaerorilorcareapardatoritacestoraproximaiiafostrealizatde Vyazovkin i Dollimore [120], care au propus o metod izoconversional neliniar pentruasporiacurateeaevalurilorenergieideactivare.Metodasebazeaz[121-123] pe condiia de minim ce se obine din forma integral a ecuaiei generale: ( )( )min,,,,=

nini j i jj iT E IT E I (3.13) unde =TdTRTET E I0) exp( ) , ( sedeterminprinintegrarenumericdirect[124]. Similar a fost propus o metod diferenial [116].Metoda izoconversional Kissinger-Akahira-Sunose[121] are la baz relaia: () RTEg E ART=ln ln2(3.14) unde()()= 0 fdgMetoda Li-Tang [125, 126] are la baz o relaie derivat din relaia general: ( )0,1ln0 0 G dT REddTd+ =||

\| (3.15) unde( ) () ( )+ = 0ln ln ,0d f A G59 Metodapresupunereprezentareagrafic[1/T,]i[ln(d/dT),]folosinddate obinute la diferite viteze de nclzire. Aceste reprezentri se integreaz numeric la ovaloarefixalui,iarintegraladinln(d/dT)sereprezintgraficfunciede integrala din 1/T pentru un set de viteze de nclzire. Din pant se determin variaia E cu , iar cu ajutorul acestui E determinat anterior se poate afla modelul cinetic.Oestimareaenergieideactivareindependendentdemodelse poate obine dintr-un experiment singular prin asa-numita metod a saltului de temperatur[109], metodsugerat incadrulICTAC 13[114],care presupune schimbarearapida temperaturiiprobeilaoaltvaloareilaunanumitmoment.Metodapresupune faptulcgraduldeconversienuvariazntimpulsaltuluidetemperaturi modificareavitezeidereacieesteproporionaldoarcuconstantadevitez. Aceastmetodvafuncionadoarncazulncarevitezadereacienuprezinto valoarepreamare,putndu-seastfelobineoestimareaenergieideactivare independent demodel,careevident vacorespunde unuianumit grad deconversie .Defapt,metodasaltuluidetemperaturesteorealizareexperimentala principiului izoconversional i a fost propus spre a fi utilizat n analiza termic cu vitez controlat (CRTA-controlled rate thermal analysis). Experimentele CRTA se efectueazdeobiceipentruvitezedereaciemici,caresemeninconstanteprin ajustarea temperaturii probei.Criado [127] se pronun pro-grupul de metode de analiz termic cu control al probei (SCTA-sample controlled thermal analysis), care ar trebui s se constituie ntr-uninstrumentputernicpentruovederemaiintimasupracineticiireacieii pentruminimizareainflueneifenomenelordetransfertermicidemasasupra reaciilor n stare solid. Dou metode din acest grup se folosesc mai des, i anume: CRTA,amintitmaisus,ianalizatermicntrepte(SIA-stepwisethermal analysis).CRTAimpliccontrolultemperaturiireacieinaafelnctviteza acesteiaestemeninutconstantpetotparcursulprocesului.MetodaSIAimpune 60 probeioanumitvitezdenclzirepncevitezareacieidepeteolimit prestabilit, n acest moment creterea temperaturii nceteaz i reacia se desfoar izotermpncndvitezascadesuboanumitlimit,nacestmomentnclzirea fiind din nou pornit.BudrugeaciSegal[128]ausugeratometodizoconversionaldiferenial pentru aevalua izoterme ale descompunerii solid-gaz din date neizoterme. Aceast metod nu necesit utilizarea unei aproximaii pentru integrala de temperatur. Metoda NPK (non-parameter kinetics) [129-134] se bazeaz pe prezumia c vitezadereaciepoatefiexprimatcaprodusdedoufunciiindependente,una dependentdeconversie,g(),iarcealaltdependentdetemperatur, f(T)(dependen care nu este neaprat necesar s fie de tip Arrhenius). () ( ) T f gdTd = (3.16) ecuaie pe care P. imon o numete[135] aproximaia cinetic single-step Viteza de reacie pentru un proces simplu poate fi asimilat cu o suprafa n spaiul tridimensional.Vitezadereaciedinfiecarepunctalacesteisuprafeeeste determinat doar de perechile de valori T i (similar imon introduce noiunea de hipersuprafa cinetic, dat de dependena conversiei de temperatur i timp[136], iar funciile k(T) i f() descriu componentele de temperatur i respectiv conversie alehipersuprafeeicinetice).Aceastsuprafacontinupoatefidiscretizati organizatcaomatricededimensiuninm,numitmatriceaA,ncarerndurile corespundladiferitegradedeconversie(1n),iarcoloaneleladiferite temperaturi(T1Tm).nconsecinelementelematriciivorfidatedeprodusul Aij=g(i)f(Tj).Valorilefunciilorg()respectivf(T)potfiexprimatecavectori coloan: g = (g(1) g(2) ... g(n))(3.17) f = (f(T1) f(T2) ... f(Tm))(3.18) 61 AstfelseajungelaoecuaiedeformaA=gfT.Vectoriigrespectivfpotfi determinaiprinmetodaSVD(singularvaluedecomposition).Prinfitareadatelor corespunztoarediferitelormodelecineticecudateleexperimentale(g),nfuncie de , se determin modelul cinetic. Vectorul f logaritmat se reprezint n funcie de inversul temperaturii i se determin factorul preexponenial i energia de activare.Dacvectorulvalorilorpropriiaremaimultdeovaloaresemnificativ,procesul este complex. Dac vectorul valorilor proprii are dou valori semnificative, se obin ctedoivectorig1,g2,respectivf1,f2.Fiecaredinacetivectoricorespundeunui proces elementar i se folosete la fel ca mai nainte pentru determinarea modelului cinetic i a parametrilor de activare. n aceast situaie A=A1+A2=g1f1T+g2f2T. Utilizarea oricror metode difereniale sau integrale ce utilizeaz o singur vitez de nclzire necesit verificarea dependenei energiei de activare de gradul de avansare areaciei.Dacenergiadeactivarevariazcunseamncprocesulnueste simplu, ci avem de-a face cu un mecanism complex. n cazul metodelor izoconversionale pentru care E nu depinde de , forma analitic a funciei de conversie este dat de modelul cinetic pentru care energia de activare esteegalcuceaobinutprinmetodaizoconversional,utilizndoricaremetod diferenial sau integral[137]. Oproblemdestuldeserioasridicatdefolosireametodelor izoconversionaleoreprezintdificultateadeinterpretareadatelorcineticedatorit variaieiparametrilorArrheniusodatcuavansareareaciei.Problemaiare origineanconceptulteoreticconformcruiaenergiadeactivareauneireacii elementareesteconstant ngaze isoluiidiluate.ns,n cazulreaciilornsolid seateaptacaEsnufieconstant;chiarmaimult,secunoatefaptulccinetica reaciilor n stare solid este sensibil la presiune, temperatur, mrimea cristalelor, atmosfera gazoas i ali factori care se pot modifica n timpul procesului.62 DependenaE-ajutladescoperireacomplexitiiunuiproces,cailao primprivirenintimitateamecanismului.Singuraceastdependeneste suficientpentruaprezicecusuficientsigurancomportamentulcineticalunui procespeun intervaldestuldelargdetemperatur[109].Astfela aprutconceptul decineticmodel-free,adicobinereadeinformaiidespremecanismipredicii cinetice fr a deine date despre modelul reaciei sau factorul preexponenial. 3.3 Efectul de compensare n cinetica neizoterm La a 12-a ediie ICTAC (septembrie 2000)[138] s-a ridicat problema variaiei parametrilor cinetici calculai cu diferite metode de cercettori diferii, i s-a stabilit c aceste variaii pot fi sumarizate pentru discuii prin intermediul efectului cinetic decompensare.Acestefectestereprezentatprintr-orelaieliniarntremrimile parametrilorln(A)iEncadrulsetuluideparametriArrheniuscalculaipentru fiecare serie de procese nrudite sau cu viteze comparabile(ec. 3.19, vezi mai jos): lnA=a+bE (3.19)unde a i b sunt constante. O astfel de comparaie ignor prin definiie (sau presupune ca fiind constant) orice efectalceluide-altreileacomponentaltripletuluicinetic,respectivfunciade conversie. O caracteristic important este faptul c toate reaciile din set prezint o constant de vitez egal (izocinetic) la temperatura izocinetic.Efectuldecompensareafostprezentatnnumeroaseidiversecazuri[138], fiecarecazfiindcompusdintr-oseriedemodificrichimicesimilarepentru reactanicaresepotcomparacupreciziedestuldemare,cumarfiderivai substituiiproveninddelaaceeaispeciemolecularsauprobetratatediferit provenind de la reactani cristalini i care, datorit acestui fapt, prezint diferene n 63 coninutul de defecte sau impuriti. Asemenea efecte au fost catalogate drept efect de compensare de tip I i se presupune c au la baz trsturi comune[138].Atuncicndsefolosescprobedinacelaireactant,darsuntvariatecondiiile experimentale (atmosfer, masa probei, etc), se poate de asemenea observa un efect decompensare,detipII[138].Acestecaracteristicicineticeaufostatribuite modificrilorninfluenelerelativealetransferuluitermicidemas,inclusiv posibila participare a reaciei inverse. n aceeai categorie a efectului de compensare de tip II se poate ncadra i un acelai proces eterogen realizat pe o serie de diferii catalizatori solizi. Metodaparametrilorcineticiinvariani(IKP-invariantkineticparameters) [121] are la baz observaia c parametrii de activare obinui dintr-o singur curb =(T)pentrudiferiteformeanaliticealeluif()suntcorelaiprinefectulde compensare (ec. 3.19) Pentruaplicareaacesteimetodeseutilizeazmaimultecurbeobinuteladiverse viteze de nclzire (v, v=1,2,3..) i se utilizeaz maimulte funcii de conversie (fj, j=1,2,3..).Folosindometodintegralsaudiferenial,pentrufiecarevseobin perechi (Avj,Evj), caracteristice fiecrei funcii de conversie fj. Se determin, pentru fiecarevitezdenclzirev,parametriidecompensareavrespectivbv.Dreptele lnAvvs.Evpentrumaimultevitezedenclzireseintersecteazntr-unpunctce corespundevaloriloradevrateAiE.Acestevalorisenumescparametride activareinvariani(Ainv,Einv).Deoarececondiiileexperimentalediferiteduclao regiunedeintersecieinulaunpunct,parametriideactivaresepotdetermina utiliznd relaia: lnAinv=av+bvEinv (3.20) din care rezult relaia de supercorelare: av=ln Ainv-bvEinv(3.21) 64 Dinreprezentareagraficadrepteiavfunciedebvseobinparametriideactivare invariani.Oaltmetodcarefoloseteefectuldecompensarendeterminarea parametrilor cinetici ai reaciilor complexe a fost propus de Budrugeac, Popescu i Segal[139-141],mpreuncuometoddedeterminareamodeluluicinetic[142] pentru reacii simple pe baza modelelor izoconversionale. Pornind de la relaia diferenial (Friedman, ec. 3.11), pentru = ct i diferite viteze de nclzire, graficul T dtd 1, ln ||

\| va fi liniar. Din pant i ordonata la origine adrepteiseobineenergiadeactivareiprodusul[Af()].DependenaE()i A() se determin utiliznd diferite valori ale lui . Procedeul se bazeaz pe urmtoarele: 1.E i A depind de gradul de conversie i nu depind de viteza de nclzire; 2.E i A sunt corelate prin efectul de compensare (CE) b aE A + = ln (3.22) unde a, b sunt constante caracteristice seriei de reacii considerate 3.Dependena energiei de activare de gradul de conversie este dat de: E = E0 + E1ln(1-)(3.23) unde E0 i E1 sunt constante. 4.Funcia de conversie diferenial, f() este de forma: f() = (1-)n (3.24) Din (3.24) se obine: ln[Af()] = lnA + nl