Recubrimientos PVD dopados para aplicaciones biomédicas

1. Recubrimientos PVD dopados para
aplicaciones biomédicas
aintech@ain.es

2. Recubrimientos PVD dopados para
aplicaciones biomédicas
J. Osés, R. Rodríguez, J.A. García
Centro de Ingeniería Avanzada de Superficies
AIN – Asociación de la Industria Navarra

3. ÍNDICE
INTRODUCCIÓN
EXPERIMENTAL
RESULTADOS
CONCLUSIONES
22 de Abril de 2013
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4. INTRODUCCIÓN
Metales biocidas
- Efecto antibacteriano de determinados
iones metálicos
- Plata: alto efecto antiséptico. Aplicación
como capa, mediante Implantación Iónica,
coloidal…
- Cobre: oligoelemento. Citotóxico en altas
concentraciones. Utilizado principalmente
como alguicida
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5. INTRODUCCIÓN
Physical Vapour Deposition (PVD)
-Conjunto de técnicas de deposición en vacío
- Deposición de capa fina mediante condensación
del material evaporado
- Aplicaciones
• Mejora de propiedades mecánicas y tribológicas
• Recubrimiento decorativo
• Funcionalización superficial
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6. INTRODUCCIÓN
Objetivo
Obtener capas PVD con las siguientes características:
- Superficie con propiedades mecánicas mejoradas respecto
a las de azulejos convencionales
- Superficie con propiedades antibacterianas
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7. EXPERIMENTAL
Proceso de deposición
Reactor PVD
Metaplas IONON MZR323
Utilización de arco catódico
TiN
SUSTRATO CERÁMICO
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Fase
Antibacteriana
Capa de anclaje
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8. EXPERIMENTAL
Muestras preparadas
Capa
depositada
Elemento
dopante
Nomenclatura
-------------
-------------
Referencia
TiN
-------------
TiN
TiN
Ag
TiN-Ag
TiN
Cu
TiN-Cu
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9. EXPERIMENTAL
Análisis químico y composicional
GD-OES
(Glow Discharge – Optical
Enhanced Spectroscopy)
Jobin Yvon 1000 RF Spectrometer
FE-SEM
(Field Emission– Scanning
Electron Microscope)
Hitachi S4800
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10. EXPERIMENTAL
Análisis mecánico y superficial
CSM Calotest
Perfilómetro interferométrico
Wyko RST 500
Durómetro universal (HU)
Fischerscope H100VP-XY PROG
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11. EXPERIMENTAL
Análisis mecánico y superficial
Scratch test
Scratch Tester CSM Revetest
Medición de ángulo de contacto
DSA 16 EasyDrop Krüss
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12. EXPERIMENTAL
Test de eficacia antibacteriana
JIS Z 2801:2000 – Antimicrobial products
Test for antimicrobial activity and efficacy
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13. RESULTADOS
GD-OES
TiN-Cu (muestra testigo)
Atomico %
Ti
Profundidad (µm)
Dirección de crecimiento de la capa
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14. RESULTADOS
TiN-Ag EDX
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15. RESULTADOS
TiN-Ag FE-SEM
Aumentos
Electrones secundarios (SE)
Electrones retrodispersados (BSE)
x25k
x100k
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16. RESULTADOS
TiN-Cu EDX
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17. RESULTADOS
TiN-Cu FE-SEM
Aumentos
Electrones secundarios (SE)
Electrones retrodispersados (BSE)
X25k
X50k
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18. RESULTADOS
Calotest
Muestra
TiN
0,71 ± 0,04
TiN-Ag
0,76 ± 0,02
TiN-Cu
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Espesor (µm)
0,76 ± 0,02
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19. RESULTADOS
Rugosidad
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
Referencia
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TiN-Ag
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20. RESULTADOS
Dureza Universal (HU)
8000
Ref
Pristine
TiN
CrN
TiN-Ag
CrN-Ag
CrN-Cu
TiN-Cu
6000
2
HU (N/mm )
7000
5000
4000
3000
2000
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Depth (µm)
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21. RESULTADOS
Scratch 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-Cu
6
21-28
41-47
Referencia
LC1
22 de Abril de 2013
LC3
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22. RESULTADOS
Scratch 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-Cu
6
21-28
41-47
TiN-Ag
TiN-Cu
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23. RESULTADOS
Ángulo de contacto
Referencia (48º)
TiN (75º)
TiN+Ag
(91º)
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TiN+Cu
(118º)
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24. RESULTADOS
Test de eficacia antibacteriana
Eficacia según norma JIS Z 2801:2010 si R > 2
Muestra
Valor de R
S. Aureus
TiN + Ag
5,7
2,1
TiN + Cu
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E. Coli
5,7
4,1
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25. CONCLUSIONES
- Se han depositado de manera satisfactoria diferentes recubrimientos de
TiN dopado de aproximadamente 0,7 µm utilizando la técnicaCA-PVD
- Las capas depositadas presentan una fase rica en metal dopante de un
espesor aproximado de 100nm. Esta fase dopada presenta una
concentración de material de dopaje en torno al 20%
-Las capas depositadas mejoran la dureza del material recubierto. El
dopaje no afecta la dureza de forma apreciable. La rugosidad superficial
ha aumentado ligeramente.
-La adherencia medida entre la capa y el sustrato no es alta. La aparición
de defectos se produce antes que en el caso del vidriado cerámico. El
valor de ángulo de contacto aumenta debido a la introducción de
metales
-Las muestras tratadas presentan una excelente eficacia antibacteriana
según la norma utilizada JIS Z 2801:2010.
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26. AGRADECIMIENTOS
Proyecto NANOCONS
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27. PREGUNTAS
22 de Abril de 2013
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28. PREGUNTAS
Test de eficacia antibacteriana
JIS Z 2801:2000 – Antimicrobial products
Test for antimicrobial activity and efficacy
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29. PREGUNTAS
Test de eficacia antibacteriana
JIS Z 2801:2000 – Antimicrobial products
Test for antimicrobial activity and efficacy
BACTERIAS
E. Coli
S. Aureus
x Bacterias
t= 0
SUBSTRATO X 3
A
SUBSTRATO X 6
x Bacterias
t= 24 h
SUBSTRATO X 3
SUBSTRATO X 3
x Bacterias
RECUBRIMIENTO BIOCIDA
RECUBRIMIENTO BIOCIDA
SUBSTRATO X 3
SUBSTRATO X 3
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x-y Bacterias
B
x-z Bacterias
t= 24 h
RECUBRIMIENTO BIOCIDA
SUBSTRATO X 3
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C
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30. PREGUNTAS
Test 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 tratamiento
antimicrobiano a las 24 h
- Homogeneidad en A
- Densidad correcta en A
- No actividad biocida de B
(Lmax – Lmin)/ (Lmedia) ≤ 0,2
1,0x105 < A < 4,0x105
B > 1.0x103
R = log(B/A) – log (C/A) = log (B/C)
Según la norma JIS Z 2801:2010, una superficie se
considera bactericida cuando R>2 (>99% eliminación)
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31. PREGUNTAS
Mecanismo 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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