En este trabajo se desarrolló el recubrimiento compuesto de TaN(Ag) con una variación del contenido de plata entre 2,26 y 28,51 %at, mediante la técnica de pulverización catódica asistida por campo magnético desbalanceado. Se eligió el recubrimiento que presentó el mejor balance entre propiedades mecánicas y tribológicas, y se sometió a un ciclo de tratamientos térmicos con temperaturas entre 175 °C y 275 °C para producir la nucleación, el crecimiento y difusión controlada de las nanopartículas de Ag hasta la superficie del recubrimiento. Se verificó el tamaño y densidad de distribución de las nanopartículas en la superficie del recubrimiento, y su influencia en las propiedades mecánicas y tribológicas. Posteriormente se estudió el efecto bactericida frente a la bacteria
La modificación superficial a partir del dopaje de recubrimientos de nitruros metálicos nanocristalinos como el TaN, ZrN, TiN, MoN, CrN y NbN, caracterizados por su alta estabilidad química y excelentes propiedades mecánicas, con nanopartículas de metales dúctiles como la Ag, (Manninen
Los iones metálicos como Ag+, el Cu2+ y el Ni2+ han mostrado un efecto positivo para el control de la adherencia y la proliferación de diferentes tipos de bacterias; esta facultad actualmente viene aprovechándose para evitar la colonización de las mismas en componentes poliméricos y metálicos utilizados en el hogar, en la industria textil, en centros hospitalarios (Gopinath y Velusamy,
Para garantizar un elevado efecto bactericida y una apropiada biocompatibilidad en el material compuesto, debe mantenerse el equilibrio entre la cantidad, distribución y forma de nanopartículas de Ag presentes en la matriz del recubrimiento y la liberación de iones de Ag+ al medio circundante, de tal forma que se induzca a la muerte de las bacterias o se inhiba su adherencia, sin afectar la viabilidad celular, es decir, sin ser citotóxico (Tianlu
Acorde a lo anterior, este trabajo tiene como objetivo, evaluar inicialmente la influencia del contenido de Ag de los recubrimientos nanocompuestos de TaN(Ag) sobre la microestructura y sobre las propiedades mecánicas y tribológicas, una vez realizado esto se seleccionó el sistema de recubrimiento con el mejor balance microdureza/tasa de desgaste y se sometió a un ciclo de tratamientos térmicos en un rango de temperaturas entre 175 y 275 °C durante 4 min; allí se evaluó el tamaño, forma y distribución de las nanopartículas de Ag que emergieron a la superficie del compuesto. A la muestra tratada térmicamente que presentó la mejor distribución y el menor tamaño de partículas de plata, se le evaluó el efecto bactericida frente a la bacteria
Los recubrimientos se depositaron sobre muestras de acero inoxidable AISI 316L y obleas de Silicio unidireccional (100) mediante la técnica de pulverización catódica asistida por campo magnético desbalanceado, previamente desengrasadas en un baño de ultrasonido en una solución de acetona y propanol. Una vez en la cámara de pulverización, las muestras se sometieron a una limpieza iónica con argón durante 30 min. Previo a la deposición del sistema de recubrimientos TaN(Ag), los sustratos de acero fueron endurecidos superficialmente mediante un proceso de nitruración por plasma pulsado, utilizando una atmosfera de argón/nitrógeno/hidrógeno, a una presión de 6,3x10-1 mbar, un voltaje bias de -750 V y a una temperatura de 380 °C durante 9 h. Posteriormente y con el fin de reducir la tensiones residuales en la interfase del acero inoxidable AISI 316L y el recubrimiento por la diferencia de dureza (Liskiewicz
Condiciones de deposición y espesor de los recubrimientos de TaN(Ag)
Recubrimiento |
Potencia blanco Ag (W) | %at Ag | Espesor (µm) |
---|---|---|---|
TaN(Ag)-1 | 30 | 2,26 | 1,75 ± 0,08 |
TaN(Ag)-2 | 50 | 7,15 | 2,25 ± 0,07 |
TaN(Ag)-3 | 70 | 12,72 | 2,63 ± 0,12 |
TaN(Ag)-4 | 120 | 20,05 | 3,47 ± 0,13 |
TaN(Ag)-5 | 170 | 23,52 | 3,67 ± 0,25 |
TaN(Ag)-6 | 210 | 28,51 | 4,53 ± 0,26 |
Todos los recubrimientos fueron depositados a una presión de 4,4X10-3 mbar, temperatura de 120 °C, Voltaje Bias -70 V, tasa de deposición entre 0,4 y 0,6 µm.h-1 y con una relación de Ar/N2 de 2,7 cm3min-1.
Los recubrimientos fueron tratados térmicamente en un horno tipo mufla con atmósfera controlada de nitrógeno. Estos ciclos incluyeron temperaturas de 175°, 200°, 225°, 250° y 275 °C, cada una de ellas durante 4 min, con enfriamiento inmediato mediante aire frio a presión. Este procedimiento permitió la difusión controlada de las nanopartículas de plata hasta la superficie, y de paso determinar la mejor relación de tamaño, forma y distribución de las nanopartículas de Ag sobre la superficie del recubrimiento, utilizando imágenes SEM de la superficie de las muestras y apoyados con el software ImageJ, como se discute más adelante en el apartado 3.2.1. En la
Esquema de la configuración del recubrimiento nanocompuesto TaN(Ag): a) antes y b) después del tratamiento térmico.
La topografía superficial y la morfología transversal de los diferentes recubrimientos de TaN(Ag) se examinaron en un microscopio electrónico de barrido JEOL JSM-6490LV. La composición química de cada recubrimiento se determinó a partir de espectroscopia de energía dispersiva de rayos X (EDX) mediante el software INCA Energy. La formación de fases se caracterizó por difracción de rayos X en un equipo Panalytical Empyrean, en el modo de ángulo rasante, usando un ángulo de incidencia de 4° y paso de 0,02°/seg. La rugosidad de los recubrimientos se determinó por medio de un perfilómetro marca Bruker Pektakxt, con una fuerza de contacto de 3 mg, durante 30 s en un recorrido de 1500 micras, realizando 5 mediciones por muestra. Para determinar el grado de mojabilidad de los recubrimientos se determinó el ángulo de contacto por medio del equipo Rame-Hart contact angle & tensiometer model 250. Para estimar la distribución y densidad de nanopartículas se realizó el análisis de frecuencia, la cual representa el número de partículas promedio con un rango de diámetro en un área superficial determinada utilizando el software ImageJ.
La dureza de los recubrimientos se determinó mediante el método de Knoop con un microdurómetro Shimadzu modelo HMV-G20, utilizando una carga de 0,245 N acorde a la norma ASTM C1326-13. El coeficiente de fricción y la tasa de desgaste se evaluaron mediante un tribómetro tipo ”ball on disc”, usando un contra cuerpo de alúmina de 6 mm de diámetro, carga de 1 N, radio de la huella de 8 mm, tiempo de 600 s y 70 rpm, acorde a la norma ASTM G99-95. Todas las mediciones se realizaron por triplicado y se llevaron a cabo a temperatura de 19 ±2 °C y a una humedad relativa de 48,5 ±2%. Las muestras fueron lavadas previamente con etanol en un baño de ultrasonido y secadas con aire a presión. El volumen de desgaste fue determinado con un perfilómetro de contacto marca Bruker Pektakxt.
Para la evaluación
Para la realización de esta prueba se adicionaron 100 µl del inóculo de bacterias ajustado al 0,5 de Mc Farland en 100 ml de Agar LB a 37 °C, se homogenizó y se sirvieron 20 ml del medio de cultivo conteniendo la cepa bacteriana en cajas de Petri. Las muestras de silicio con y sin recubrimiento y previamente esterilizadas por autoclave, se colocaron en el centro de la caja y se dejaron en una cabina de flujo hasta su gelificación, seguidamente se incubaron durante 24 h a 37 °C. Después de la incubación, se examinó cada caja y se visualizaron las colonias formadas (UFC) que crecieron sobre el material. Las pruebas de inhibición se realizaron por triplicado para asegurar la confiabilidad en los resultados.
Una vez esterilizadas las muestras en un autoclave a 120 °C durante 30 min, se depositó una muestra de cada recubrimiento en una caja de Petri estéril, luego se adicionaron 20 µl del inóculo de bacterias preparado conteniendo 1 a 2 × 108 UFC/ml y se dispersaron sobre la superficie de cada material. Los materiales expuestos a la suspensión de bacterias
La citotoxicidad del recubrimiento se evaluó acorde a la guía ISO 10993-5:2009(E) Biological evaluation of medical devices Part 5: test for in vitro cytotoxicity”, mediante el método MTT (bromuro de 3-(5,4 dimetil tizol-2-I) -2-5 difeniltretrazolium), reactivo que permite medir la actividad de la deshidrogenasa mitocondrial, detectando la producción de formazán debido a la actividad metabólica de células vivas y activas. Para esta prueba, se utilizaron osteoblastos humanos de la línea celular Saos-2 (ATCC®HTB-85) a una densidad de 100.000 células.cm-2 y se cultivaron en presencia de cada recubrimiento durante 72 h a 37 °C y 5% CO2. El material se retiró y las células se incubaron en presencia de 200 uL del reactivo a una concentración de 5 mg.mL-1 y los platos se incubaron nuevamente durante 4 h en las mismas condiciones. Luego se adicionó en cada pozo 200 μL de Solución de parada compuesta por isopropanol al 50% y 10% de SDS (dodecilsulfato sódico) y se incubaron las células nuevamente durante 30 minutos a temperatura ambiente. La viabilidad celular se determinó con base en la cantidad de formazán producido de acuerdo a la intensidad de color (absorbancia) registrada como Densidades Ópticas (D.O) obtenidas a 570 nm en un espectrofotómetro (Varioskan™ Flash Multimode Reader – Thermo Scientific, USA). Se utilizaron células cultivadas en medio de cultivo solo (en ausencia de material) como control de viabilidad. La citotoxicidad se determinó de acuerdo a los porcentajes de viabilidad y mortalidad obtenidos para cada condición experimental. El porcentaje de viabilidad se calculó con la
% Viabilidad = (D.O células expuestas al material) / (D.O células control) × 100 (1)
donde la D.O de las células control corresponden al 100% de viabilidad. A su vez, el porcentaje de mortalidad se calculó con la
% Mortalidad = 100 - % viabilidad para el material. (2)
Los ensayos de citotoxicidad se realizaron por triplicado en dos experimentos aislados. Todas las muestras fueron esterilizadas en un autoclave a 120 °C durante 30 min, previo a realizar la prueba de citotoxicidad.
En la
Imagen SEM de sección transversal de los recubrimientos TaN (Ag) con tratamientos térmicos y depositados con diferentes potencias aplicadas al blanco de Ag: a) TaN(Ag)-1, b) TaN(Ag)-2, c) TaN(Ag)-3, d) TaN(Ag)-4, be) TaN(Ag)-5 y f) TaN(Ag)-6.
El fenómeno de densificación de los recubrimientos con el incremento de material dopante, es debido fundamentalmente a que el metal de transición de baja dureza difunde a través de los límites de grano columnar de la matriz TaN, coalesciendo y conduciendo a la deformación de la estructura y de paso al reacomodamiento del compuesto (Bhatnagar
Los perfiles de microdureza y propiedades tribológicas se muestran en la
Microdureza y propiedades tribológicas de los recubrimientos de TaN(Ag): a) Microdureza vs potencia del blanco de Ag, y b) coeficiente de fricción y tasa de desgaste vs potencia del blanco de Ag.
El recubrimiento TaN(Ag)-3 que presentó el mejor balance entre propiedades mecánicas y tribológicas fue tratado térmicamente a temperaturas de 175 °C, 200 °C, 225 °C, 250 °C y 275 °C, cada una de ellas durante 4 min. Este procedimiento permitió la difusión controlada de las nanopartículas de plata hasta la superficie, y de paso determinar la mejor relación de tamaño, forma y distribución de las nanopartículas de Ag sobre la superficie del recubrimiento, utilizando las imágenes SEM que se muestran en la
Difusión y formación de nanopartículas de Ag sobre la superficie de los recubrimientos de TaN(Ag)-3 después del tratamiento térmico por 4 min: a) 175 °C , b) 200 °C, c) 225 °C, d) 250 °C y e) 275 °C.
En la
Frecuencia vs nanopartículas de Ag en la superficie del recubrimiento TaN(Ag)-3 tratado térmicamente a diferentes temperaturas: a) 175, b) 200 °C y c) 225 °C.
En la
Composición química del recubrimiento TaN(Ag)-3 tratado térmicamente a diferentes temperaturas
Composición Química (% at.) | |||
---|---|---|---|
Temperatura (°C) | TaN(Ag)-3 | ||
Ta | N | Ag | |
0 | 36,95 | 50,32 | 12,72 |
175 | 15,79 | 65,4 | 18,81 |
200 | 31,25 | 48,05 | 20,71 |
225 | 32,22 | 46,79 | 20,99 |
250 | 33,88 | 48,68 | 34,88 |
275° | 24,30 | 38,18 | 37,52 |
Los difractogramas del recubrimiento TaN(Ag)-3 tratado a diferentes temperaturas se muestran en la
Difractogramas de rayos X del recubrimiento TaN(Ag)-3 tratado térmicamente a diferentes temperaturas.
En la
Microdureza y propiedades tribológicas de los recubrimientos de TaN(Ag): a) Microdureza vs temperatura de tratamiento térmico, y b) coeficiente de fricción y tasa de desgaste vs temperatura de tratamiento térmico.
En la
Valores de ángulo de contacto y rugosidad de los recubrimientos desarrollados con y sin tratamiento térmico
Propiedad/Muestra | Angulo de contacto (agua) ± SD | Rugosidad (nm) |
---|---|---|
TaN(Ag)-3 |
104,3 ± 3,1 | 22,3 |
TaN(Ag)-3 |
98,7 ± 6,5 | 21,0 |
Silicio | 65,7 ± 3,2 | 9,6 |
Fragmento de vidrio | 40,4 ± 4,6 | 4,2 |
Tratamiento térmico 200 °C durante 4 min
Sin tratamiento térmico
En la
Angulo de contacto (mojabilidad): a) TaN(Ag)-3 sin TT, b) TaN(Ag)-3 con TT, c) muestra de silicio sin recubrimiento y d) fragmento de vidrio.
En la
Inhibición del crecimiento bacteriano cultivos de
La adherencia de
Prueba de adherencia en materiales expuestos a
Además de los mecanismos de interacción como las fuerzas de Van Der Waals y las propiedades hidrofílicas e hidrofóbicas del material, la rugosidad juega un rol fundamental en la adherencia bacteriana. Sin embargo la capacidad de adherencia de las bacterias, depende de la naturaleza del microorganismo, su morfología (forma, tamaño, prolongaciones, filias o pilis), mecanismos de defensa, energía superficial, grado de mojabilidad de su superficie y potencial z. El estudio de Truong
Acorde a la evaluación de citotoxicidad mediante el método MTT, utilizando Osteoblastos humanos del tipo Saos-2, el recubrimiento con TaN(Ag)-3 no tuvo efecto citotóxico sobre las células Saos-2, donde un 100% de la población sobrevivió durante el ensayo. Para el acero inoxidable AISI 316L, el porcentaje de viabilidad es un poco menor (
Efecto del recubrimiento TaN(Ag)-3 y del acero AISI 316L en la viabilidad celular de osteoblastos humanos.
La adición de nanopartículas de plata al sistema TaN influye notoriamente sobre las propiedades microestructurales, mecánicas, tribológicas y biológicas del compuesto TaN(Ag). El mejor balance entre las propiedades mecánicas y tribológicas de los recubrimientos compuestos depositados se logró con la muestra TaN(Ag)-3 con un contenido de Ag de 12,7% antes del tratamiento térmico. Esta muestra se sometió a una serie de tratamientos térmicos entre 175 y 275° C durante 4 min, presentando a 200 °C la mejor relación de tamaño/densidad de distribución de las nanopartículas de plata sobre la superficie del recubrimiento, así como también el mejor balance entre dureza y resistencia al desgaste.
Acorde a los ensayos de inhibición y adherencia bacteriana frente a la bacteria
Con base en éstos resultados, el recubrimiento TaN(Ag)-3 podría ser aplicado como recubrimiento protector frente al desgaste y con un elevado efecto bactericida frente a la bacteria
Los autores agradecen al Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Innovación –COLCIENCIAS, por la financiación de este proyecto (CT-0940-2012) y a la Universidad de Antioquia.