Este documento describe un estudio sobre recubrimientos PVD dopados con plata y cobre para aplicaciones biomédicas. Se depositaron capas de TiN dopadas con estos metales usando un proceso PVD. Los análisis mostraron que las capas tenían una fase rica en el metal dopante y mejoraban la dureza. Las muestras con plata y cobre mostraron una excelente eficacia antibacteriana contra E. coli y S. aureus según las pruebas estandarizadas.

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
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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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