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
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�RESULTADOS
�CONCLUSIONES
INTRODUCCIÓN
- Efecto antibacteriano de determinadosiones metálicos
- Plata: alto efecto antiséptico. Aplicacióncomo capa, mediante Implantación Iónica,
Metales biocidas
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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)
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- 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
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- Superficie con propiedades antibacterianas
EXPERIMENTAL
Reactor PVDMetaplas IONON MZR323
Utilización de arco catódico
Proceso de deposición
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SUSTRATO CERÁMICO
TiN
Capa de anclaje
Fase Antibacteriana
EXPERIMENTAL
Capa depositada
Elemento dopante
Nomenclatura
------------- ------------- Referencia
Muestras preparadas
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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
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FE-SEM (Field Emission– Scanning
Electron Microscope)Hitachi S4800
EXPERIMENTAL
Perfilómetro interferométrico
CSM Calotest
Análisis mecánico y superficial
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Perfilómetro interferométricoWyko RST 500
Durómetro universal (HU)Fischerscope H100VP-XY PROG
EXPERIMENTAL
Scratch testScratch Tester CSM Revetest
Análisis mecánico y superficial
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Medición de ángulo de contactoDSA 16 EasyDrop Krüss
EXPERIMENTAL
JIS Z 2801:2000 – Antimicrobial productsTest for antimicrobial activity and efficacy
Test de eficacia antibacteriana
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RESULTADOSGD-OES
Ato
mic
o%
TiN-Cu (muestra testigo)
Ti
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Dirección de crecimiento de la capa
Profundidad (µm)
Ato
mic
o
RESULTADOSTiN-Ag EDX
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RESULTADOS
Aumentos Electrones secundarios (SE) Electrones retrodispersados (BSE)
x25k
TiN-Ag FE-SEM
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x100k
RESULTADOSTiN-Cu EDX
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RESULTADOS
Aumentos Electrones secundarios (SE) Electrones retrodispersados (BSE)
X25k
TiN-Cu FE-SEM
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X50k
RESULTADOS
Muestra Espesor (µm)
TiN 0,71 ± 0,04
TiN-Ag 0,76 ± 0,02
TiN-Cu 0,76 ± 0,02
Calotest
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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
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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
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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
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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
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TiN-Ag
TiN-Cu 6 21-28 41-47
TiN-Cu
RESULTADOS
TiN (75º)
Referencia (48º)
Ángulo de contacto
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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
Test de eficacia antibacteriana
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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.
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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
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Proyecto NANOCONS
PREGUNTAS
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PREGUNTAS
JIS Z 2801:2000 – Antimicrobial productsTest for antimicrobial activity and efficacy
Test de eficacia antibacteriana
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PREGUNTAS
JIS Z 2801:2000 – Antimicrobial productsTest for antimicrobial activity and efficacy
Test de eficacia antibacteriana
S. AureusE. Coli
BACTERIAS
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S. AureusE. Coli
SUBSTRATO X 6
SUBSTRATO X 3
RECUBRIMIENTO BIOCIDA
SUBSTRATO X 3
x Bacterias
x Bacterias
SUBSTRATO X 3
RECUBRIMIENTO BIOCIDA
SUBSTRATO X 3
x-y Bacterias
x-z Bacterias
SUBSTRATO X 3
x Bacterias
SUBSTRATO X 3
RECUBRIMIENTO BIOCIDA
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
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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
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- Imposibilidad de realizar respiración celular- Combinación con ADN e imposibilidad de reproducción