Filmes de DLC para aplicações biotribológicas

• Author(s): Salgueiredo, Ermelinda da Conceição Portela
• Date: 2007
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/10773/2248
• Origin: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro
• Subject(s): Engenharia biomédica; Biomateriais; Tribologia
• Document Type: Master thesis
• Language: English

Description

Os filmes de carbono amorfo tipo diamante (DLC) actuam como lubrificantes sólidos em muitas aplicações de desgaste incluindo os implantes articulares da anca e joelho. Entre estes, os filmes de carbono não-hidrogenado podem ser depositados pela técnica de deposição física em fase vapor (PVD) a baixas temperaturas (<325ºC). Estes filmes protectores são quimicamente inertes, possuem elevada dureza e baixo coeficiente de atrito contra polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) e outros biomateriais, aumentando assim a qualidade dos implantes articulares. Filmes de DLC foram depositados por sputtering DC em substratos à base de nitreto de silício (Si3N4 monolítico; compósitos Si3N4/TiN e Si3N4/bioglass) visando elevados níveis de adesão. A nanoestrutura do DLC, confirmada pela fraca intensidade da banda D do espectro Raman, combinada com o elevado conteúdo de ligações sp3, comprovado pelo desvio da banda G, levou a um valor de dureza de 16 GPa. Os filmes apresentam-se densos e homogéneos com um valor extremamente baixo de rugosidade (RMS=2.6 nm). Antes de ser implantado no corpo humano, um material tem de provar ser biocompatível. Antes da deposição de DLC, os substratos foram recobertos com uma camada de Si para promover a adesão. Após 35 dias de imersão em SBF, a observação SEM demonstrou que não ocorreu formação de camada apatítica na superfície. A análise química por ICP-AES mostrou que não houve variação na concentração dos iões Ca e P, e que não foram libertados elementos tóxicos na solução. A hidrofobicidade, tensão superficial e carga superficial deste biomaterial foram também avaliadas. A superfície apresentou um valor ligeiramente negativo de carga, como demonstrado pelo valor do potencial zeta de -35.0 ± 1.3 mV para pH=7.4 ± 0.2. A tensão superficial foi de 45.7 mN/m, apresentando uma componente dispersiva predominante da tensão superficial. Os resultados mostram que o revestimento de DLC é tendencialmente hidrofóbico. Os estudos com a linha celular de osteoblastos humanos MG63 não revelaram indícios de citotoxicidade. As células apresentaram morfologia normal e maior crescimento celular, quando comparadas com as placas standard de cultura, mostrando, no entanto, menor adesão celular. Para os ensaios biotribológicos, bolas e discos cerâmicos foram recobertos com filmes de DLC numa primeira etapa para ensaios de deslizamento a seco em movimento recíproco, com pares próprios. Um bias negativo foi aplicado ao compósito condutor Si3N4/TiN, resultando em valores de coeficiente de atrito extremamente baixos(μ=0.015). Numa segunda etapa, placas recobertas com DLC foram testadas contra bolas de UHMWPE. Os testes foram efectuados a seco e lubrificado (SBF). Os resultados preliminares mostram que o coeficiente de atrito mantém-se constante ao longo do ensaio, sem delaminação do DLC. Estes resultados favoráveis permitem recomendar o Si3N4 revestido com DLC como adequado para aplicações em próteses articulares. ABSTRACT: Diamond-like carbon (DLC) films act as solid-film lubricants in many wear resistant applications including articulated implants as hip and knee joints. Among these, non-hydrogenated amorphous carbon films can be grown by Physical Vapour Deposition (PVD) technique at low deposition temperatures (<325ºC). These protective coatings possess chemical inertness, high hardness and low friction coefficient against Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) and other biomaterials, thereby improving the quality of articulated implants. In this study, the DLC films were deposited by DC magnetron sputtering over silicon nitride based substrates (bulk Si3N4; Si3N4/TiN and Si3N4/bioglass composites) aiming high adhesion levels. DLC nanostructure, confirmed by the weak intensity of the Raman spectra D band position, combined with significant sp3 content, as depicted by the G band downshift, lead to a hardness value of about 16 GPa. Films are dense and homogeneous in all the deposited area with an extremely low roughness of 2.6 nm (RMS). Before implantation in the human body, a material must prove to be biocompatible. Prior to the DLC deposition, the Si3N4 based ceramics were coated with a Si interlayer to promote adhesion. After 35 days of immersion in Simulated Body Fluid, SBF, the DLC surface showed no signs of apatite layer formation, as observed by SEM. Also, ICP-AES analysis confirmed no variation of the Ca and P ions concentration levels, and no toxic elements released into solution were detected. Hydrophobicity, surface tension and surface charge was also evaluated. The DLC surface is slightly negative charged, has shown by the zeta potential value of -35.0 ± 1.3 mV at pH=7.4 ± 0.2. The surface tension of the DLC coated samples was 45.7mN/m, presenting a dominant dispersive component of the surface tension. Results showed that the DLC coating is quite hydrophobic. Using the MG63 osteoblast-like cells, no evidence of citotoxicity was observed. Cells showed normal morphology and higher cell growth, compared to standard culture plates, although with low cell adhesion. For biotribological assessment, in a first stage Si3N4 ceramic balls and discs were coated with DLC films for self-mated reciprocating dry sliding tests. A negative bias voltage applied to a conductive Si3N4/TiN composite showed a remarkable improvement under the same tribological solicitation, presenting very low friction coefficient values (μ=0.015) during the full duration of the test. In a second stage, DLC-coated Si3N4 ceramics were tested against UHMWPE spheres using a reciprocating ball-on-flat set-up. The sliding occurred under dry and lubricated (SBF) conditions. Preliminary results showed that the friction coefficient is almost constant during the running-in period without delamination of the DLC coating. Based in these favourable results, the DLC-coated Si3N4 biomaterial seems adequate to be used for articular prosthesis development.