tratermat 2013-2

Recubrimientos PVD dopados para

aplicaciones biomédicas

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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


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)


- 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


- Superficie con propiedades antibacterianas

EXPERIMENTAL

Reactor PVDMetaplas IONON MZR323

Utilización de arco catódico

Proceso de deposición


SUSTRATO CERÁMICO

TiN

Capa de anclaje

Fase Antibacteriana

EXPERIMENTAL

Capa depositada

Elemento dopante

Nomenclatura

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

Muestras preparadas


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


FE-SEM (Field Emission– Scanning

Electron Microscope)Hitachi S4800

EXPERIMENTAL

Perfilómetro interferométrico

CSM Calotest

Análisis mecánico y superficial


Perfilómetro interferométricoWyko RST 500

Durómetro universal (HU)Fischerscope H100VP-XY PROG

EXPERIMENTAL

Scratch testScratch Tester CSM Revetest

Análisis mecánico y superficial


Medición de ángulo de contactoDSA 16 EasyDrop Krüss

EXPERIMENTAL

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

Test de eficacia antibacteriana


RESULTADOSGD-OES

Ato

mic

o%

TiN-Cu (muestra testigo)

Ti


Dirección de crecimiento de la capa

Profundidad (µm)

Ato

mic

o

RESULTADOSTiN-Ag EDX


RESULTADOS

Aumentos Electrones secundarios (SE) Electrones retrodispersados (BSE)

x25k

TiN-Ag FE-SEM


x100k

RESULTADOSTiN-Cu EDX


RESULTADOS

Aumentos Electrones secundarios (SE) Electrones retrodispersados (BSE)

X25k

TiN-Cu FE-SEM


X50k

RESULTADOS

Muestra Espesor (µm)

TiN 0,71 ± 0,04

TiN-Ag 0,76 ± 0,02

TiN-Cu 0,76 ± 0,02

Calotest


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


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


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


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


TiN-Ag

TiN-Cu 6 21-28 41-47

TiN-Cu

RESULTADOS

TiN (75º)

Referencia (48º)

Ángulo de contacto


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



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.


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


Proyecto NANOCONS

PREGUNTAS


PREGUNTAS



S. AureusE. Coli

BACTERIAS


S. AureusE. Coli

SUBSTRATO X 6

SUBSTRATO X 3

RECUBRIMIENTO BIOCIDA

SUBSTRATO X 3

x Bacterias

x Bacterias

SUBSTRATO X 3


SUBSTRATO X 3

x-y Bacterias

x-z Bacterias

SUBSTRATO X 3

x Bacterias

SUBSTRATO X 3


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


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


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

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