Sputtered W-based Coatings for Biomedical Applications

Abstract

Um dos problemas da utilização de ligas metálicas em aplicações biomédicas é a sua corrosão e consequente libertação de iões metálicos para o organismo. Entre estas espécies iónicas as de Fe, Cr e Ni, são as mais problemáticas podendo causar reações inflamatórias, alérgicas e em certas concentrações são, atualmente, apontados de carcinogénicos. A funcionalização da superfície das ligas torna-se numa possível solução para este problema, permitindo utilizar as propriedades mecânicas já conhecidas destas bio-ligas e otimizar a biocompatibilidade ao impedir a libertação destas espécies tóxicas.Assim, tendo por base um estudo anteriormente realizado no GEMS-SEG sobre o comportamento à oxidação de filmes à base de W na presença de Ni, é objetivo deste trabalho produzir revestimentos do mesmo tipo que funcionem como barreiras à difusão de níquel em ligas metálicas com aplicabilidade biomédica.Para tal, produziram-se três filmes por pulverização catódica magnetrão, a partir de um alvo de W, um singular W e dois, diferindo no tempo de deposição, no sistema W-N. A escolha dos substratos foi criteriosa, dado que está diretamente relacionada com o futuro comportamento dos materiais revestidos. A escolha principal recaiu sobre o aço inoxidável 316L (≈14wt% Ni). Porém, ainda se utilizou um outro material, o Invar 36 que, devido à sua composição química (≈36wt% Ni) poderia servir de referência ao processo de quantificação de Ni. De forma a simular o habitual procedimento ortodôntico, as amostras foram expostas a ciclo de esterilização em autoclave e posteriormente colocadas em solução de saliva artificial. Selecionou-se um tempo de 30 dias em solução de básica de pH 8,3.Infelizmente, os resultados obtidos ficaram além das espectativas iniciais. Os filmes produzidos neste trabalho não foram eficientes para melhorar o desempenho do aço 316L (AISI). A falha na adesão ao substrato foi a principal razão de insucesso, em oposição ao obtido em Invar 36. Todavia é importante referir que, apesar do mau comportamento dos filmes, foi possível verificar uma ligeira diminuição da libertação de níquel entre o substrato Invar e o mesmo substrato revestido, após 30 dias de imersão em saliva sintética.

Metallic biomaterials have an important rule on orthodontic and orthopedic applications due to its mechanical properties. However, there some disadvantages related to metals known as corrosion and consequently metal ions release in human body. Some of these metals are Fe, Cr and Ni, which present more toxicity concerns as they can cause inflammatory and allergic reactions. Actually, at higher concentrations they are also consider carcinogenic species. Therefore, it has been developed methods to prevent nickel ions release. Surface functionalization became a possible solution to add biocompatibility by blocking the ions release and keep the adequate mechanical properties of the alloys.Considering the previous studies developed by the group GEMS-SEG about the oxidation behavior of W coatings in presence of Ni, in this study is propose the use of W coatings to function as barrier to nickel release from biomedical metal alloys. Experimentally, there were produced three films by magnetic sputtering using a W target: a singular W film and two W-N films using different depositions times. The substrates were carefully selected to allow the future behavior evaluation. At first, it was chose 316L stainless steel (with ~14wt% of Ni) and it also has selected Invar 36 which due to its chemical composition (with ~36wt% of Ni) could work as reference in nickel quantification.To simulate a normal orthodontic procedure, the samples were previously sterilized and secondly immersed on artificial saliva solution during 30 days in basic 8.3 pH. Unfortunately, the results were not as expected at the beginning. The produced coatings were not efficient to improve the performance of the alloys. Indeed, the lack of adhesion of the films deposited in 316L (AISI) was the principal reason of the failure. In opposition, the adhesion to Invar 36 alloy to study the Ni release. In fact, it was observed a decrease in nickel release between the Invar substrate and the same coated with 7 µm of WN.