Author(s): Carvalho, I.
Date: 2014
Persistent ID: http://hdl.handle.net/1822/35934
Origin: RepositóriUM - Universidade do Minho
Project/scholarship: info:eu-repo/grantAgreement/FCT/5876-PPCDTI/102853/PT ; info:eu-repo/grantAgreement/FCT/3599-PPCDT/132966/PT;
Subject(s): 620.1; Ciências Naturais::Ciências Físicas
Tese de doutoramento em "Sciences" (ramo do conhecimento em "Physics")
The development of new multifunctional coatings to apply on medical biomaterials continues to be required, since materials commonly used in hip prostheses are still presenting failures. Multifunctionality is the result of a synergy, on the nanoscale level, of good corrosion resistance, mechanical and tribological properties. Additionally, a biomaterial must always be biocompatible. Besides these properties, the major challenge would be to get a material with antimicrobial activity. Thus, the aim of this project was the development of advanced materials with the ability to present these properties. Ceramic coatings, based on carbonitrides of transition metals, such as Ti(C,N), which may favour these properties, were used in this study. As innovative approach, silver nanoclusters were added, in order to improve the prevention of microbial adhesion and biofilm formation on these biomaterials, one of the major causes of hip joint failure. Different Ag-Ti(C,N) thin films were prepared by reactive magnetron sputtering, obtained by varying the density of the current applied to each magnetron and the chemical composition of the mixed Ti + Ag target (silver pellets were placed in the preferential erosion area of one Ti target resulting in a relative Ag sputtering areas of 15 % for atomic ratio Ag/Ti ≤ 0.20 and 37 % for atomic ratio Ag/Ti ≥ 0.37). The physical, chemical, structural, morphological/topographical, mechanical and tribological properties of these coatings were evaluated, respectively, by ball crater tests, X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM)/ atomic force microscopy (AFM), Raman spectroscopy and X-ray photon spectroscopy (XPS). Mechanical properties of the films were studied by nanoindentation and the tribological tests were performed in the presence of Fetal Bovine Serum (FBS), in order to simulate the tribochemical conditions of the use of an artificial implant. Cytotoxicity of the developed coatings was also determined and assessed by in vitro tests using fibroblast cells. Finally, the antibacterial activity was assessed using Staphylococcus epidermidis. Bacterial adhesion and biofilm formation on coatings were assessed by the enumeration of the number of viable cells. XRD, Raman and XPS results showed the crystallization of a fcc-TiCyN1-y and as the Ag content is increasing in the coatings, the appearance of the soft phases (Ag and CNx phases) are evidenced, which become dominant and cause a substantial reduction in the grain size of TiCyN1−y, decreasing the hardness and the wear resistance. The incorporation of silver into the coatings to be used in implant and medical devices must be up to 6 at. % to ensure the best tribological and mechanical properties, with hardness of 18 GPa and specific wear rate values in the range of 10−6 mm3/Nm. Concerning biological properties, all coatings for different Ag content revealed no cytotoxicity. The analysis of the antibacterial activity showed an absence of antibacterial activity. These results were not expected, and therefore the investigation had to be redirected towards finding an explanation for the silver inactivity in these coatings. Hence, phase composition of the surfaces, which are directly related with roughness, can be related with the absence of antimicrobial activity. Additionally, some properties, namely hydrophobicity and surface tension of coatings with silver promoted bacterial adhesion. So, much more should be studied on the lack of silver action in these coatings. So, advanced surface characterization techniques, glow discharge optical emission spectroscopy (GDOES), Rutherford backscattering spectroscopy (RBS) and XPS, were used in order to verify the possible physical and chemical changes that may occur on the surface of Ag-TiCN coatings after its exposure to the culture media used in the microbiological and cytotoxic assays, respectively tryptic soy broth (TSB) and Dulbecco's Modified Eagle's medium (DMEM). The results of GDOES profile, RBS and XPS spectra, of samples immersed in TSB, suggested the formation of a thin layer of carbon, oxygen and nitrogen that could be due to the presence of proteins in TSB. After 24 h of immersion in DMEM, the results also hint the formation of a thin layer of calcium phosphates on surface, since the coatings displayed a greatly oxidized surface in which calcium and phosphorus were detected. Although there was no great evidence of antibacterial activity against S. epidermidis the results showed that the multifunctionality of coatings (good mechanical and tribological performance) was achieved for 6 at. % silver content, concomitantly with the absence of cytotoxicity.
O desenvolvimento de novos revestimentos multifuncionais para aplicação em biomateriais é um campo em constante evolução, uma vez que os materiais normalmente utilizados em próteses ortopédicas ainda apresentam falhas. A multifuncionalidade é o resultado de uma sinergia, à escala nanométrica, entre as boas propriedades de corrosão, mecânicas e tribológicas. Adicionalmente, um biomaterial deverá ser sempre biocompatível. Desenvolver um material avançado, com atividade antimicrobiana, sem sacrificar as propriedades já mencionadas, é o grande desafio deste projeto. Os revestimentos cerâmicos que foram utilizados neste estudo são baseados em carbonitretos de metais de transição, tais como Ti(C,N), com o objetivo de atingir estas propriedades. Como abordagem inovadora, foram adicionadas nanopartículas de prata, numa tentativa de inibir a adesão microbiana e consequentemente prevenir a formação de biofilme nestes biomateriais, uma das principais causas de falência das próteses. Ao longo do estudo foram preparados diferentes filmes de Ag-Ti(C,N), por pulverização catódica reativa, variando a densidade de corrente aplicada a cada magnetrão e a composição química do alvo misto Ti + Ag (pepitas de prata foram colocadas na área de erosão preferencial do alvo de Ti, resultando numa relação de áreas de pulverização da Ag de 15% para a razão atómica de Ag / Ti ≤ 0,20 e 37% para a relação atómica Ag / Ti ≥ 0,37). As propriedades físicas, estruturais, morfológicas / topográficas e químicas dos revestimentos foram avaliadas, respetivamente, pelos testes da calote, difração de raios-X (XRD), microscopia eletrónica de varrimento / microscopia de força atómica (AFM), espectroscopia de Raman e espectroscopia de fotoeletrões excitados por raios X (XPS). As propriedades mecânicas dos filmes foram estudadas por nanoindentação e os ensaios tribológicos foram realizados na presença de soro fetal de bovino (FBS), a fim de simular as condições triboquímicas durante o uso de um implante artificial. A citotoxicidade dos revestimentos desenvolvidos também foi determinada e avaliada por testes in vitro utilizando os fibroblastos como células animais. Finalmente, a atividade antibacteriana foi avaliada utilizando Staphylococcus epidermidis. A adesão bacteriana e a formação de biofilme nos revestimentos foram avaliadas pela contagem do número de células viáveis. Os resultados de XRD, Raman e XPS mostraram a cristalização de uma fase cfc de TiCyN1-y e com um aumento no teor de Ag nos revestimentos, evidencia-se o aparecimento de fases macias (fases de Ag e CNX) que se tornam dominantes e que promovem uma redução do tamanho de grão do TiCyN1-y, reduzindo também a dureza e a taxa de desgaste. A conjugação dos resultados demonstrou que a incorporação da prata nos revestimentos tem de ser até 6 % at. para assegurar as melhores propriedades tribológicas e mecânicas, com dureza de 18 GPa e com valores de taxa de desgaste específica na ordem de 10-6 mm3/Nm. Em relação às propriedades biológicas, todos os revestimentos com diferentes teores de Ag não revelaram citotoxicidade. A análise da atividade antibacteriana mostrou uma ausência de atividade antibacteriana. Face a estes resultados não esperados, redirecionou-se a investigação com o propósito de encontrar uma explicação para a inatividade da prata nestes revestimentos. Assim, a composição química das superfícies, relacionada com a rugosidade, pode de alguma forma influenciar a inatividade antimicrobiana. Adicionalmente, algumas propriedades tais como a hidrofobicidade e tensão superficial dos revestimentos com prata promoveram a adesão bacteriana. Considerando estes resultados, foi necessário aprofundar o estudo sobre a inatividade da prata nestes revestimentos. Assim, recorreu-se a técnicas de caracterização avançada de superfície, tais como espectroscopia de emissão ótica de descarga luminescente (GDOES), espectroscopia de retrodispersão de Rutherford (RBS) e espectroscopia de fotoeletrões excitados por raios X (XPS), a fim de verificar as alterações físicas e químicas passíveis de ocorrer na superfície dos revestimentos de Ag-TiCN após a sua exposição aos meios de cultura usados nos ensaios microbiológicos e citotóxicos, caldo triptona de soja (TSB) e o Dulbecco's Modified Eagle's medium (DMEM), respetivamente. Para as amostras imersas em TSB, os resultados do perfil GDOES e dos espectros de RBS e XPS, sugeriram a formação de uma fina camada de carbono, oxigénio e azoto, o que pode indiciar a presença de proteínas proveniente do TSB. Após 24 h de imersão em DMEM, os resultados mostraram amostras com uma camada superficial muito oxidada, onde foram detetados cálcio e fósforo, sugerindo a formação de uma fina camada de fosfato de cálcio à superfície. Apesar de não ter sido observada uma eficaz atividade antibacteriana contra S. epidermidis, os resultados mostraram que a multifuncionalidade dos revestimentos (boas propriedades mecânicas e tribológicas) foi conseguida para teores de prata até 6 % at., concomitantemente com a ausência de citotoxicidade.
Fundação para a Ciência e a Tecnologia bolsa de doutoramento SFRH/BD/67022/2009 e pelos projetos PTDC/CTM/102853/2008 - ANTIMICROBCOAT- Desenvolvimento de revestimentos multifuncionais com propriedades antimicrobianas para implantes ortopédicos, PEST-C/FIS/UI607/2011, PESTC/EME/UI0285/2011 e PEST-OE/EQB/LA0023/2013. Ao FEDER o financiamento através do programa COMPETE – Programa Operacional Fatores de Competitividade. Ao Projeto “BioHealth - Biotechnology and Bioengineering approaches to improve health quality", Ref. NORTE-07-0124-FEDER-000027, co-financiados pelo Programa Operacional Regional do Norte (ON.2 – O Novo Norte), QREN, FEDER. Ao projeto “Consolidating Research Expertise and Resources on Cellular and Molecular Biotechnology at CEB/IBB”, Ref. FCOMP-01-0124-FEDER-027462.
