Análisis cualitativo y cuantitativo de fosfatos de calcio por difracción de rayos-X mediante los métodos de Scherrer, Williamson-Hall y refinamiento de Rietveld

Contenido principal del artículo

Alexánder Campos-Quirós
Kenneth Paniagua-Murillo
Gerardo Valladares-Castrillo
Jorge M. Cubero-Sesin
Luis Cordero-Arias

Resumen

Los fosfatos de calcio son materiales biocerámicos de gran importancia utilizados en el área de recubrimientos bioactivos para implantes metálicos. En el presente estudio, una muestra de fosfatos de calcio fue sintetizada mediante el método de precipitación química a partir de Ca(NO3)2 y (NH4)2HPO4. La técnica de difracción de rayos-X fue utilizada para realizar un análisis cualitativo y cuantitativo de las fases cristalinas presentes en el material mediante los métodos de Scherrer, Williamson-Hall y Rietveld. Se determinó que la muestra está constituida en un 75 % en masa de monetita (CaHPO4) y un 25 % en masa de brushita (CaHPO4.H2O), con tamaños promedio de cristalito en el orden submicrométrico. El análisis mediante microscopia electrónica de barrido muestra que las partículas se encuentran altamente aglomeradas, con un tamaño promedio de 2,8 ± 1 µm y morfología variada. El análisis elemental por espectroscopia de energía dispersiva de rayos-X reveló una relación molar calcio/fósforo (Ca/P) promedio de 0,95, lo cual concuerda con las fases cristalinas de monetita y brushita. Por último, la presencia de ambas fases se debe principalmente a los bajos niveles de pH durante la reacción y al secado de la muestra posterior al proceso de síntesis.

Detalles del artículo

Cómo citar
Campos-Quirós, A., Paniagua-Murillo, K., Valladares-Castrillo, G., Cubero-Sesin, J. M., & Cordero-Arias, L. (2022). Análisis cualitativo y cuantitativo de fosfatos de calcio por difracción de rayos-X mediante los métodos de Scherrer, Williamson-Hall y refinamiento de Rietveld. Revista Tecnología En Marcha, 35(4), Pág. 104–115. https://doi.org/10.18845/tm.v35i4.5664
Sección
Artículo científico

Citas

S. V. Dorozhkin, and M. Epple, “Biological and medical significance of calcium phosphates,” Angew. Chem Int. Ed., vol. 41, no. 32, pp. 3130–3146, 2002, doi: 10.1002/1521-3773(20020902)41:17<3130::AID-ANIE3130>3.0.CO;2-1

M. L. dos Santos, C. dos Santos Riccardi, E. de Almeida Filho, and A. C. Guastaldi, “Calcium phosphates of biological importance based coatings deposited on Ti-15Mo alloy modified by laser beam irradiation for dental and orthopedic applications,” Ceram. Int., vol. 44, no. 18, pp. 22432–22438, 2018, doi: 10.1016/j.ceramint.2018.09.010.

D. Navarro da Rocha et al., “Bioactivity of strontium-monetite coatings for biomedical applications,” Ceram. Int., vol. 45, no. 6, pp. 7568–7579, 2019, doi: 10.1016/j.ceramint.2019.01.051.

F. Pishbin, L. Cordero-Arias, S. Cabanas-Polo, and A. R. Boccaccini, Bioactive polymer-calcium phosphate composite coatings by electrophoretic deposition. Elsevier Ltd, 2015.

T. T. T. Pham et al., “Impact of physical and chemical parameters on the hydroxyapatite nanopowder synthesized by chemical precipitation method,” Adv. Nat. Sci. Nanosci. Nanotechnol., vol. 4, no. 3, 2013, doi: 10.1088/2043-6262/4/3/035014.

S. Koutsopoulos, “Synthesis and characterization of hydroxyapatite crystals: A review study on the analytical methods,” J. Biomed. Mater. Res., vol. 62, no. 4, pp. 600–612, 2002, doi: 10.1002/jbm.10280.

B. Ben-Nissan, “Biomimetics and bioceramics,” in Learning from nature how to design new implantable biomaterials: from biomineralization fundamentals to biomimetic materials and processing routes., R. L. Reis and S. Weiner, Eds. Netherlands: Klumer Academic Publishers, 2004, pp. 89–103.

L. Montastruc, C. Azzaro-Pantel, B. Biscans, M. Cabassud, and S. Domenech, “A thermochemical approach for calcium phosphate precipitation modeling in a pellet reactor,” Chem. Eng. J., vol. 94, no. 1, pp. 41–50, 2003, doi: 10.1016/S1385-8947(03)00044-5.M.

R. Kumar, K. H. Prakash, P. Cheang, and K. A. Khor, “Temperature driven morphological changes of chemically precipitated hydroxyapatite nanoparticles,” Langmuir, vol. 20, no. 13, pp. 5196–5200, 2004, doi: 10.1021/la049304f.

P. Ferraz, F. J. Monteiro, and C. M. Manuel, “Hydroxyapatite nanoparticles : A review of preparation methodologies,” J. Appl. Biomater., vol. 2, no. 2, pp. 74–80, 2004, doi: 1722-6899/074-07$15.00/0.

H. M. Rietveld, “An Algol program for the refinement of nuclear and magnetic structures by the profile method.,” Netherlands, 1969.

G. Will, “The Rietveld method,” in Powder diffraction: the Rietveld method and the two-stage methof, Germany: Springer, 2006, pp. 41–72.

G. S. Girolami, “Powder X-ray diffraction,” in X-ray crystallography, USA: University Science Books, 2016, pp. 439–450.

P. Scherrer, “Bestimmung der Größe und der inneren Struktur von Kolloidteilchen mittels Röntgenstrahlen,” Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, Math. Klasse, vol. 1918, pp. 98–100, 1918.

Match! - Phase Identification from Powder Diffraction, Crystal Impact - Dr. H. Putz & Dr. K. Brandenburg GbR, Kreuzherrenstr. 102, 53227 Bonn, Germany, https://www.crystalimpact.de/match

A. Monshi, M. R. Foroughi, and M. R. Monshi, “Modified Scherrer Equation to Estimate More Accurately Nano-Crystallite Size Using XRD,” World J. Nano Sci. Eng., vol. 02, no. 03, pp. 154–160, 2012, doi: 10.4236/wjnse.2012.23020.S.

G. K. Williamson and W. H. Hall, “X-ray line broadening from filed aluminium and wolfram,” Acta Metall., vol. 1, no. 1, pp. 22–31, 1953, doi: 10.1016/0001-6160(53)90006-6.

D. Nath, F. Singh, and R. Das, “X-ray diffraction analysis by Williamson-Hall, Halder-Wagner and size-strain plot methods of CdSe nanoparticles- a comparative study,” Mater. Chem. Phys., vol. 239, no. August 2019, p. 122021, 2020, doi: 10.1016/j.matchemphys.2019.122021.

B. H. Toby and R. B. Von Dreele, “GSAS-II: The genesis of a modern open-source all purpose crystallography software package,” J. Appl. Crystallogr., vol. 46, no. 2, pp. 544–549, 2013, doi: 10.1107/S0021889813003531.

S. A. Kube et al., “Combinatorial study of thermal stability in ternary nanocrystalline alloys,” Acta Mater., vol. 188, pp. 40–48, 2020, doi: 10.1016/j.actamat.2020.01.059.

B. D. Cullity and S. R. Stock, Elements of X-ray diffraction, Thrid edit. USA: Pearson Education Limited, 2014.

S. Mondal, A. Dey, and U. Pal, “Low temperature wet-chemical synthesis of spherical hydroxyapatite nanoparticles and their in situ cytotoxicity study,” Adv. nano Res., vol. 4, no. 4, pp. 295–307, 2016, doi: 10.12989/anr.2016.4.4.295.

Raynaud, E. Champion, D. Bernache-Assollant, and P. Thomas, “Calcium phosphate apatites with variable Ca/P atomic ratio I. Synthesis, characterisation and thermal stability of powders,” Biomaterials, vol. 23, no. 4, pp. 1065–1072, 2002, doi: 10.1016/S0142-9612(01)00218-6.

O. Mekmene, S. Quillard, T. Rouillon, J. M. Bouler, M. Piot, and F. Gaucheron, “Effects of pH and Ca/P molar ratio on the quantity and crystalline structure of calcium phosphates obtained from aqueous solutions,” Dairy Sci. Technol., vol. 89, no. 3–4, pp. 301–316, 2009, doi: 10.1051/dst/2009019.

F. Tamimi, Z. Sheikh, and J. Barralet, “Dicalcium phosphate cements: Brushite and monetite,” Acta Biomater., vol. 8, no. 2, pp. 474–487, 2012, doi: 10.1016/j.actbio.2011.08.005.

A. Chandrasekar, S. Sagadevan, and A. Dakshnamoorthy, “Synthesis and characterization of nano-hydroxyapatite (n-HAP) using the wet chemical technique,” Int. J. Phys. Sci., vol. 8, no. 32, pp. 1639–1645, 2013, doi: 10.5897/IJPS2013.3990.

T. K. N. Hoang, L. Deriemaeker, B. Van La, and R. Finsy, “Monitoring the simultaneous ostwald ripening and solubilization of emulsions,” Langmuir, vol. 20, no. 21, pp. 8966–8969, 2004, doi: 10.1021/la049184b.

J. Marchi, P. Greil, J. C. Bressiani, A. Bressiani, and F. Müller, “Influence of synthesis conditions on the characteristics of biphasic calcium phosphate powders,” Int. J. Appl. Ceram. Technol., vol. 6, no. 1, pp. 60–71, 2009, doi: 10.1111/j.1744-7402.2008.02254.x.

A. Khorsand Zak, W. H. Abd. Majid, M. E. Abrishami, and R. Yousefi, “X-ray analysis of ZnO nanoparticles by Williamson-Hall and size-strain plot methods,” Solid State Sci., vol. 13, no. 1, pp. 251–256, 2011, doi: 10.1016/j.solidstatesciences.2010.11.024.