Influencia de las nanopartículas de Ag sobre las propiedades mecánicas y tribológicas y en el efecto citotóxico y bactericida de los recubrimientos de TaN(Ag)

Abstract

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 P. aeruginosa mediante las pruebas de inhibición al crecimiento y de adherencia, así como el comportamiento citotóxico del material frente a osteoblastos humanos utilizando el método MTT. El recubrimiento TaN(Ag)-3 tratado térmicamente a 200 °C durante 4 min, incrementó la microdureza del acero inoxidable AISI 316L de 2,6 GPa a 10,7 GPa, y disminuyó la tasa de desgaste de 1.11x10-3 mm3/N.m a 0.17x10-12 mm3/N.m.. Este recubrimiento presentó 100% de viabilidad celular de osteoblastos, y un excelente comportamiento a la inhibición del crecimiento y adherencia de la bacteria P. aeruginosa.

Development of a Ta/TaN/TaNx(Ag)y/TaN nanocomposite coating system and bio-response study for biomedical applications

“…TaN diffusion layer grain size, decreased when the bias voltage rises as shown on the bottom line of micrographs in Figure 3b. This result suggests that the greater proximity between the grain boundaries of the structure with smaller grain size (for sample 120V-DL) obstructs the process of diffusion of silver and thus decreases the rate of ion release to the environment SBF (as discussed below), but it favors the coalescence of the Ag nanoparticles found on the surface, increasing their size and decreasing their frequency; the silver coalescence phenomenon in TaN(Ag) coatings after thermal treatment was evidenced in previous work, and the same way the properties before annealing (48). The Ta adhesion layer between the substrate and the 30V-DL coating can be seen in the FIB micrograph (Figure 4a).…”

“…It is interesting to note that the amount of Ag released into the medium was higher after 20 days than after 30 days. These results seem to be correlated with the fact that the diffusion layer is more dense when the bias voltage increases, allowing the high attraction and accommodation of ions on the substrate surface during coating formation, according to some authors and previous works to this (58,59,48). The release of Ag into the surrounding medium is directly related to the size and density of nanoparticles on the substrate surface indicating that smaller nanoparticles have a larger surface area of contact with the medium that makes them highly reactive as the case of the coating deposited at a bias of -30V (-30V-DL sample) that showed increased release of this metal; otherwise it occurs with -120V-DL coating whose nanoparticles showed greater size and lower reactivity disfavoring the release of Ag.…”

“…The Oliver-Pharr method (47) was applied to determine the hardness (H). Structural properties such as, roughness, grain size, and tribological features like as coefficient of friction and wear rate of the different coatings can be consulted in previous published works (48,49).…”