Mestrado em Engenharia Biomédica - BiomateriaisOs 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