Influence of zirconia on the biomimetic deposition of calcium phosphates on the surface of alumina-zirconia nanocomposites

Nanocompósitos de alumina-zircônia (Al2O3-ZrO2) exibem altos valores de tenacidade a fratura (4-8 MPa/m) e resistência a flexão (> 500 MPa), biocompatibilidade e bioatividade, o que propicia seu uso em aplicações biomédicas. Além disso, a literatura indica que altas taxas de formação de fosfatos de cálcio podem ser obtidas mediante associação de tratamento químico de superfície à determinados substratos como, sílica (SiO2), titânio (TiO2) e ZrO2. No entanto, tal influência não foi verificada em sistemas nanoestruturados com matriz de Al2O3. Nesse sentido, o objetivo deste trabalho foi avaliar a influência da ZrO2 em diferentes percentuais de inclusões, quanto a formação dos fosfatos de cálcio sobre a superfície do nanocompósito cerâmico de Al2O3-ZrO2 pelo método biomimético. Para tal, pós cerâmicos foram obtidos pela dispersão de 0, 5, 10 e 15% em volume de ZrO2 nanométrica em matriz de Al2O3, conformados e sinterizados (1050 °C/1 h e 1450° para Al2O3 e 1050 °C/1 h e 1550°C para as demais composições). Após esta etapa, os corpos de prova foram submetidos a tratamento químico superficial com H3PO4 durante 4 dias a 90 °C e, posteriormente, recobertos biomimeticamente em SBF 1,0x, 1,5x e 5,0x, durante 14, 21 e 28 dias. Ao final deste período, as camadas de fosfatos de cálcio depositadas foram caracterizadas por Infravermelho Médio por Transformada de Fourier (FT-MIR) e Difração de Raios-X (DRX), para determinação das áreas de fosfatos totais e fases, em todos os períodos de incubação. De forma geral, observou-se maior deposição de fosfatos de cálcio sobre a superfície dos nanocompósitos com maiores percentuais de inclusões de ZrO2. Além disso, os recobrimentos com todas as soluções de SBF propiciaram a formação de grupos fosfatos (PO43-) e carbonatos (CO32-), Independentemente da concentração de SBF, ou percentual de inclusões de ZrO2 na matriz de Al2O3, apenas três fases foram observadas em função do período de incubação: hidroxiapatita (HA), alfa e beta-fosfatotricálcico (α-TCP e β-TCP). Aos 28 dias de incubação, em todas as condições, maiores teores de ZrO2 influíram para formação da fase α-TCP (r > 0,88). Os resultados obtidos sugerem que a ZrO2 influenciou de forma significativa na formação dos fosfatos de cálcio de interesse biológico (α/β-TCP e HA) na superfície dos nanocompósitos, o que proporciona melhores condições de bioatividade, solubilidade e osteocondução às superfícies dos corpos de prova cerâmicos. Nesse sentido, as biocerâmicas de Al2O3-ZrO2 recobertas com promissoras às aplicações de substituição e remodelação do tecido ósseo.Alumina-zirconia (Al2O3-ZrO2) nanocomposites exhibit high values of fracture toughness (4-8 MPa/m) and flexural strength (> 500 MPa), biocompatibility and bioactivity, which favors its use in biomedical applications. Furthermore, the literature indicates that high rates of formation of calcium phosphates can be obtained by associating chemical surface treatment with certain substrates such as silica (SiO2), titanium (TiO2) and ZrO2. However, such influence was not verified in nanostructured systems with Al2O3 matrix. In this sense, the objective of this work was to evaluate the influence of ZrO2 on different percentages of inclusions, regarding the formation of calcium phosphates on the surface of the ceramic Al2O3-ZrO2 nanocomposite by the biomimetic method. Then, the ceramic powders were obtained by the dispersion of 0, 5, 10 and 15% by volume of nanometer ZrO2 in Al2O3 matrix, conformed and sintered (1050 °C / 1 h and 1450 °C for Al2O3 and 1050 °C / 1h and 1550°C for other compositions). After this step, the test specimens were submitted to superficial chemical treatment with H3PO4 for 4 days at 90 °C and then, biomimetically coated in 1.0x, 1.5x and 5.0x SBF for 14, 21 and 28 days. At the end of this period, deposited calcium phosphate layers were characterized by Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-MIR) and X-ray Diffraction (XRD) for determination of total phosphate and phase areas in all periods of incubation. In general, higher deposition of calcium phosphates on the surface of nanocomposites with higher percentages of ZrO2 inclusions was observed. Regardless of the concentration of SBF or percentage of ZrO2 inclusions in Al2O3 matrix, only three layers were observed as a function of incubation period, hydroxyapatite (HA), alpha and beta-phosphate-calcium (α-TCP and β-TCP). At 28 days of incubation, under all conditions, higher ZrO2 contents influenced the α-TCP phase formation (r > 0.88). The results suggest that ZrO2 significantly influenced the formation of calcium phosphates of biological interest (α / β-TCP and HA) on the surface of the nanocomposites, which provides better conditions of bioactivity, solubility and osteoconduction to the surfaces of the proof ceramic tiles. In this sense, the Al2O3-ZrO2 bioceramics coated with promising to the bone tissue replacement and remodeling applications