¿Qué es el fosfato de calcio?
El fosfato de calcio es una sal inorgánica y terciaria cuya fórmula química es Ca3(PO4)2. La fórmula establece que la composición de esta sal es de 3:2 para el calcio y el fosfato, respectivamente. Esto puede verse directamente en la imagen superior, donde se muestra el catión Ca2+ y el anión PO43-. Por cada tres Ca2+ hay dos PO43- interaccionando con ellos. El fosfato de calcio es el principal modo en que el calcio se presenta en la leche bovina.
Por otro lado, el fosfato de calcio se refiere a una serie de sales que varían en función de la relación Ca/P, así como del grado de hidratación y el pH. De hecho, son muchos los tipos de fosfatos de calcio que existen y pueden sintetizarse. Sin embargo, siguiendo al pie de la letra la nomenclatura, el fosfato de calcio alude únicamente al tricálcico, el ya mencionado.
Todos los fosfatos de calcio, incluyendo al Ca3(PO4)2, son sólidos de color blanco con ligeras tonalidades grisáceas. Pueden ser granulares, finos, cristalinos, y tener tamaños de partículas que rondan los micrómetros. Inclusive, se han preparado nanopartículas de estos fosfatos, con las cuales se diseñan materiales biocompatibles para los huesos.
Esta biocompatibilidad se debe a que estas sales se encuentran en los dientes y en los tejidos óseos de los mamíferos. Por ejemplo, la hidroxiapatita es un fosfato de calcio cristalino, que se encuentra los huesos, en un 70%.
Esto significa que existen fosfatos de calcios amorfos y cristalinos. Por esa razón, no es de extrañar la diversidad y múltiples opciones al momento de sintetizar materiales con base de fosfatos de calcio, materiales en cuyas propiedades cada día los investigadores se muestran más interesados a nivel mundial para enfocarse en la restauración de los huesos.
Estructura del fosfato de calcio
En la imagen superior se muestra la estructura del fosfato de calcio tribásico en el extraño mineral whitlockita, el cual puede contener magnesio y hierro como impurezas.
Aunque a primera vista pueda parecer compleja, es necesario aclarar que el modelo asume interacciones covalentes entre los átomos de oxígeno de los fosfatos y los centros metálicos de calcio.
A modo de representación resulta válido, aunque las interacciones son electrostáticas. Es decir, los cationes Ca2+ sienten atracción por los aniones PO43- (Ca2+— O-PO33-). Con esto en mente, se entiende por qué en la imagen el calcio (esferas verdes) está rodeado de los átomos de oxígeno cargados negativamente (esferas rojas).
Al haber tantos iones, no deja visible un arreglo o patrón simétrico. El Ca3(PO4)2 adopta a bajas temperaturas (T<1000 °C) una celda unitaria correspondiente a un sistema cristalino romboédrico. A este polimorfo se le conoce con el nombre de β-Ca3(PO4)2 (β-TCP, por sus siglas en inglés).
A altas temperaturas, por otra parte, se transforma en el polimorfo α-Ca3(PO4)2 (α-TCP), cuya celda unitaria corresponde a un sistema cristalino monoclínico. A temperaturas aún más altas, puede además formarse el polimorfo α’-Ca3(PO4)2, el cual es de estructura cristalina hexagonal.
Fosfato de calcio amorfo
Se han mencionado estructuras cristalinas para el fosfato de calcio, lo cual es de esperarse de una sal. Sin embargo, este es capaz de exhibir estructuras desordenadas y asimétricas, vinculadas más a un tipo de “vidrio cálcico de fosfato” que al de unos cristales en el estricto sentido de su definición.
Cuando esto ocurre, se dice que el fosfato de calcio presenta una estructura amorfa (ACP, amorphous calcium phosphate). Varios autores señalan a este tipo de estructura como la responsable de las propiedades biológicas del Ca3(PO4)2 en los tejidos óseos, siendo posible su reparación y biomimetización.
El resto de la familia
Los fosfatos de calcio son de hecho una familia de compuestos inorgánicos, que a su vez pueden interactuar con una matriz orgánica.
Los otros fosfatos se obtienen “simplemente” cambiando los aniones que acompañan al calcio (PO43-, HPO42-, H2PO4–, OH–), al igual que el tipo de impurezas en el sólido. Así, hasta once fosfatos de calcio o más, cada uno con estructura y propiedades propias, se pueden originar natural o artificialmente.
A continuación se mencionarán algunos fosfatos y sus respectivas estructuras y fórmulas químicas:
- Hidrógeno fosfato de calcio dihidratado, CaHPO4∙2H2O: monoclínica.
- Dihidrógeno fosfato de calcio monohidratado, Ca(H2PO4)2∙H2O: triclínica.
- Fosfato diácido anhidro, Ca(H2PO4)2: triclínica.
- Hidrógeno fosfato octacálcico (OCP, por sus siglas en inglés), Ca8H2(PO4)6: triclínica. Es precursor en la síntesis de la hidroxiapatita.
- Hidroxiapatita, Ca5(PO4)3OH: hexagonal.
Propiedades físicas y químicas
- Nombres: fosfato de calcio, fosfato tricálcico, difosfato tricálcico.
- Peso molecular: 310,74 g/mol.
- Descripción física: es un sólido blanco inodoro.
- Sabor: insípido.
- Punto de fusión: 1.670 °K (1.391 °C).
- Solubilidad: prácticamente insoluble en agua / Insoluble en etanol / Soluble en ácido clorhídrico y en ácido nítrico diluidos.
- Densidad: 3,14 g/cm3.
- Índice de refracción: 1,629.
- Entalpía estándar de formación: 4.126 kcal/mol.
- Temperatura de almacenamiento: 2-8 ºC.
- pH: 6-8 en una suspensión acuosa de 50 g/L de fosfato de calcio.
Formación
Nitrato de calcio e hidrógeno fosfato de amonio
Existen numerosos métodos para producir o formar el fosfato de calcio. Uno de ellos consiste en una mezcla de dos sales, Ca(NO3)2∙4H2O, y (NH4)2HPO4, disueltas previamente en alcohol absoluto y agua, respectivamente. Una sal aporta el calcio, y la otra el fosfato.
A partir de esta mezcla precipita el ACP, el cual luego se somete a calentamiento en un horno a 800 °C y por 2 horas. Como resultado de este procedimiento, se obtiene el β-Ca3(PO4)2. Controlando cuidadosamente las temperaturas, la agitación y los tiempos de contacto, puede darse la formación de nanocristales.
Para formar el polimorfo α-Ca3(PO4)2 es necesario calentar el fosfato por encima de los 1.000 °C. Este calentamiento se lleva en presencia de otros iones metálicos, los cuales estabilizan este polimorfo lo suficiente para que pueda utilizarse a temperatura ambiente, es decir, permanece en un estado meta estable.
Hidróxido de calcio y ácido fosfórico
El fosfato de calcio también puede formarse mezclando las disoluciones de hidróxido de calcio y ácido fosfórico, ocurriendo una neutralización ácido-base. Después de medio día de maduración en los licores madres, y de su debida filtración, lavado, secado y tamizado, se obtiene un polvo granular de fosfato amorfo, ACP.
Este ACP reacciona producto de las altas temperaturas, transformándose de acuerdo a las siguientes ecuaciones químicas:
2Ca9(HPO4)(PO4)5(OH) => 2Ca9(P2O7)0,5(PO4)5(OH) + H₂O (a T=446,60 °C)
2Ca9(P2O7)0,5(PO4)5(OH) => 3Ca3(PO4)2 + 0,5H2O (a T= 748,56 °C)
De esta manera se obtiene el β-Ca3(PO4)2, su polimorfo más común y estable.
Usos
En el tejido óseo
- El Ca3(PO4)2 es el constituyente inorgánico principal de las cenizas de huesos. Es un componente de los trasplantes de reemplazo óseo, siendo esto explicado por su similitud química con los minerales presentes en el hueso.
- Los biomateriales de fosfato de calcio son utilizados para corregir los defectos óseos y en el recubrimiento de las prótesis del metal titanio. El fosfato de calcio se deposita sobre ellas, aislándolas del ambiente y enlenteciendo el proceso de corrosión del titanio.
Cementos biocerámicos
- El cemento de fosfato de calcio (CPC) es otro biocerámico empleado en la reparación del tejido óseo. Se elabora mezclando el polvo de diferentes tipos de fosfatos de calcio con agua, formándose una pasta. La pasta puede ser inyectada o ajustada al defecto óseo o cavidad. Los cementos se moldean, se reabsorben gradualmente y son reemplazados por el hueso recién formado.
Médicos
- El Ca3(PO4)2 es una sal básica, por lo que se emplea como antiácido para neutralizar el exceso de acidez estomacal y aumentar el pH. En las pastas dentales suministra una fuente de calcio y fosfato para facilitar el proceso de remineralización de los dientes y la hemostasia ósea.
- También se usa como suplemento nutricional, aunque la forma más económica de suplir el calcio es mediante la utilización de su carbonato y citrato.
- El fosfato de calcio puede utilizarse en el tratamiento de la tetania, la hipocalcemia latente y la terapia de mantenimiento. Además, es útil en la suplementación de calcio durante el embarazo y la lactancia.
- Se utiliza en el tratamiento de una contaminación con los isotopos radiactivos radio (Ra-226) y estroncio (Sr-90). El fosfato de calcio bloquea la absorción de los isotopos radiactivos en el tubo digestivo, limitando así el daño causado por ellos.
Otros
- El fosfato de calcio se utiliza como pienso para las aves. También en las pastas dentales en el control del sarro.
- Se emplea como agente antiaglomerante, por ejemplo, para evitar que la sal de mesa se compacte.
- Funciona como un agente blanqueador de la harina, y en la manteca de cerdo, previene una coloración indeseada y mejora la condición de la fritura.
Referencias
- Calcium phosphate. Recuperado de pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
- Calcium phosphate. Recuperado de sciencedirect.com.