tratermat 2013-2

Recubrimientos PVD dopados para

aplicaciones biomédicas

aintech@ain.es

Recubrimientos PVD dopados paraaplicaciones biomédicasaplicaciones biomédicas

J. Osés, R. Rodríguez, J.A. García

Centro de Ingeniería Avanzada de Superficies

AIN – Asociación de la Industria Navarra

ÍNDICE

�INTRODUCCIÓN

�EXPERIMENTAL

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 3/31

�RESULTADOS

�CONCLUSIONES

INTRODUCCIÓN

- Efecto antibacteriano de determinadosiones metálicos

- Plata: alto efecto antiséptico. Aplicacióncomo capa, mediante Implantación Iónica,

Metales biocidas

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 4/31

como capa, mediante Implantación Iónica,coloidal…

- Cobre: oligoelemento. Citotóxico en altasconcentraciones. Utilizado principalmentecomo alguicida

INTRODUCCIÓN

-Conjunto de técnicas de deposición en vacío

- Deposición de capa fina mediante condensacióndel material evaporado

Physical Vapour Deposition (PVD)

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 5/31

- Aplicaciones

• Mejora de propiedades mecánicas y tribológicas

• Recubrimiento decorativo

• Funcionalización superficial

INTRODUCCIÓN

Obtener capas PVD con las siguientes características:

- Superficie con propiedades mecánicas mejoradas respectoa las de azulejos convencionales- Superficie con propiedades antibacterianas

Objetivo

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 6/31

- Superficie con propiedades antibacterianas

EXPERIMENTAL

Reactor PVDMetaplas IONON MZR323

Utilización de arco catódico

Proceso de deposición

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 7/31

SUSTRATO CERÁMICO

TiN

Capa de anclaje

Fase Antibacteriana

EXPERIMENTAL

Capa depositada

Elemento dopante

Nomenclatura

------------- ------------- Referencia

Muestras preparadas

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 8/31

TiN ------------- TiN

TiN Ag TiN-Ag

TiN Cu TiN-Cu

EXPERIMENTAL

GD-OES (Glow Discharge – OpticalEnhanced Spectroscopy)Jobin Yvon 1000 RF Spectrometer

Análisis químico y composicional

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 9/31

FE-SEM (Field Emission– Scanning

Electron Microscope)Hitachi S4800

EXPERIMENTAL

Perfilómetro interferométrico

CSM Calotest

Análisis mecánico y superficial

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 10/31

Perfilómetro interferométricoWyko RST 500

Durómetro universal (HU)Fischerscope H100VP-XY PROG

EXPERIMENTAL

Scratch testScratch Tester CSM Revetest

Análisis mecánico y superficial

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 11/31

Medición de ángulo de contactoDSA 16 EasyDrop Krüss

EXPERIMENTAL

JIS Z 2801:2000 – Antimicrobial productsTest for antimicrobial activity and efficacy

Test de eficacia antibacteriana

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 12/31

RESULTADOSGD-OES

Ato

mic

o%

TiN-Cu (muestra testigo)

Ti

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 13/31

Dirección de crecimiento de la capa

Profundidad (µm)

Ato

mic

o

RESULTADOSTiN-Ag EDX

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 14/31

RESULTADOS

Aumentos Electrones secundarios (SE) Electrones retrodispersados (BSE)

x25k

TiN-Ag FE-SEM

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 15/31

x100k

RESULTADOSTiN-Cu EDX

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 16/31

RESULTADOS

Aumentos Electrones secundarios (SE) Electrones retrodispersados (BSE)

X25k

TiN-Cu FE-SEM

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 17/31

X50k

RESULTADOS

Muestra Espesor (µm)

TiN 0,71 ± 0,04

TiN-Ag 0,76 ± 0,02

TiN-Cu 0,76 ± 0,02

Calotest

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 18/31

RESULTADOS

Sample Ra (nm) Rq (nm) Rz (µm) Rt (µm)

Referencia 54±6 70±6 0.95±0.14 1.3±0.12

TiN 44±9 56±12 0.67±0.1 1.47±0.5

TiN-Ag 59±12 89±11 2.35±0.3 3.99±0.83

TiN-Cu 45±7 69±5 1.91±0.3 3.11±0.85

Rugosidad

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 19/31

TiN-Cu 45±7 69±5 1.91±0.3 3.11±0.85

Referencia TiN-Ag

RESULTADOS

5000

6000

7000

8000H

U (

N/m

m2 )

Pristine CrN CrN-Ag CrN-Cu

Dureza Universal (HU)

Ref

TiN

TiN-Ag

TiN-Cu

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 20/31

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,02000

3000

4000

5000

HU

(N

/mm

Depth (µm)

RESULTADOS

Muestra LC1 (N) LC2 (N) LC3 (N)

Referencia 13-17 40-42 70-73

TiN 6 21-24 40-45

TiN-Ag 5 12-13 18-23

Scratch test

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 21/31

TiN-Cu 6 21-28 41-47

LC1 LC3

Referencia

RESULTADOSScratch test

Muestra LC1 (N) LC2 (N) LC3 (N)

Referencia 13-17 40-42 70-73

TiN 6 21-24 40-45

TiN-Ag 5 12-13 18-23

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 22/31

TiN-Ag

TiN-Cu 6 21-28 41-47

TiN-Cu

RESULTADOS

TiN (75º)

Referencia (48º)

Ángulo de contacto

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 23/31

TiN+Ag(91º)

TiN+Cu(118º)

RESULTADOS

MuestraValor de R

E. Coli S. Aureus

TiN + Ag 5,7 2,1

TiN + Cu 5,7 4,1

Eficacia según norma JIS Z 2801:2010 si R > 2

Test de eficacia antibacteriana

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 24/31

CONCLUSIONES

- Se han depositado de manera satisfactoria diferentes recubrimientos deTiN dopado de aproximadamente 0,7 µm utilizando la técnicaCA-PVD- Las capas depositadas presentan una fase rica en metal dopante de unespesor aproximado de 100nm. Esta fase dopada presenta unaconcentración de material de dopaje en torno al 20%-Las capas depositadas mejoran la dureza del material recubierto. Eldopaje no afecta la dureza de forma apreciable. La rugosidad superficialha aumentado ligeramente.

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 25/31

ha aumentado ligeramente.-La adherencia medida entre la capa y el sustrato no es alta. La apariciónde defectos se produce antes que en el caso del vidriado cerámico. Elvalor de ángulo de contacto aumenta debido a la introducción demetales-Las muestras tratadas presentan una excelente eficacia antibacterianasegún la norma utilizada JIS Z 2801:2010.

AGRADECIMIENTOS

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 26/31

Proyecto NANOCONS

PREGUNTAS

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 27/31

PREGUNTAS

JIS Z 2801:2000 – Antimicrobial productsTest for antimicrobial activity and efficacy

Test de eficacia antibacteriana

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 28/31

PREGUNTAS

JIS Z 2801:2000 – Antimicrobial productsTest for antimicrobial activity and efficacy

Test de eficacia antibacteriana

S. AureusE. Coli

BACTERIAS

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 29/31

S. AureusE. Coli

SUBSTRATO X 6

SUBSTRATO X 3

RECUBRIMIENTO BIOCIDA

SUBSTRATO X 3

x Bacterias

x Bacterias

SUBSTRATO X 3

RECUBRIMIENTO BIOCIDA

SUBSTRATO X 3

x-y Bacterias

x-z Bacterias

SUBSTRATO X 3

x Bacterias

SUBSTRATO X 3

RECUBRIMIENTO BIOCIDA

A

B

C

t= 0

t= 24 h

t= 24 h

PREGUNTASTest de eficacia antibacteriana

- A = Media del recuento de células viables a tiempo 0 en las placas control- B = Media del recuento de células viables en las placas control a las 24 h- C = Media del recuento de células viables en las placas con tratamientoantimicrobiano a las 24 h

- Homogeneidad en A (Lmax – Lmin)/ (Lmedia) ≤ 0,2

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 30/31

Según la norma JIS Z 2801:2010, una superficie se considera bactericida cuando R>2 (>99% eliminación)

R = log(B/A) – log (C/A) = log (B/C)

- Homogeneidad en A (Lmax – Lmin)/ (Lmedia) ≤ 0,2- Densidad correcta en A 1,0x105 < A < 4,0x105

- No actividad biocida de B B > 1.0x103

PREGUNTASMecanismo de eliminación

- Rotura de enlaces en la membrana celular

22 de Abril de 2013 Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas 31/31

- Imposibilidad de realizar respiración celular- Combinación con ADN e imposibilidad de reproducción