Nanocrystalline diamond coatings for biomedical applications - Amaral, Margarida Isabel dos Santos (2011)
A presente tese tem como principal objectivo o desenvolvimento de filmes de diamante nanocristalino (NCD) sobre substratos cerâmicos de nitreto de silício (Si3N4) visando aplicações biomédicas. Os filmes de NCD foram produzidos por deposição química em fase de vapor pelas técnicas de filamento quente e plasma de microondas (HFCVD e MWCVD, respectivamente). Optimizaram-se os parâmetros de deposição por HFCVD de modo a obter filmes aderentes e de boa qualidade. Filmes de NCD com cristalites de ~15 nm e ~1 μm×h-1 de velocidade de crescimento obtêm-se nas seguintes condições: razões Ar/H2=0.1 e CH4/H2=0.04, pressão total de 50 mbar, fluxo gasoso de 50 ml·min-1, temperaturas de filamento e substrato de 2200ºC e 750ºC, respectivamente. A rugosidade dos filmes varia entre 13-16 nm para razões Ar/H2 na gama 0-0.63. Com o aumento da temperatura do filamento para 2300ºC é possível uma velocidade de crescimento de 1.6 μm×h-1 mas o tamanho das cristalites quase duplica para 28 nm. A optimização da deposição por MWCVD permitiu o crescimento de filmes pouco rugosos (Ra~22 nm), cristalite de tamanho ~10 nm, e velocidades até 3.0 μm·h-1. Filmes de NCD foram também crescidos em substratos compósitos Si3N4- biovidro por HFCVD. Para evitar a formação de bolhas no filme e garantir uma elevada adesão, a temperatura do substrato não deve ultrapassar a temperatura de transição vítrea do vidro (637ºC). A velocidade de arrefecimento ideal para evitar delaminação é cerca de 2ºC×min-1. A avaliação biotribológica dos filmes de NCD foi realizada por ensaios homólogos pino-placa em movimento alternativo, sob uma carga aplicada de 45 N e na presença de líquidos fisiológicos: solução salina de Hanks (Hanks' balanced salt solution (HBSS)) e soro bovino fetal (fetal bovine serum (FBS)). Na presença de HBSS obtiveram-se valores de atrito inferiores (0.01-0.02) aos verificados em FBS (0.06-0.09), explicados pela adsorção de proteínas na superfície do filme neste último caso. Os coeficientes de desgaste obtidos k ~ 10-10 mm3·N-1m-1 para o HBSS e k ~10-9 - 10-8 mm3·N-1m-1 para o FBS, revelam regimes de desgaste muito suaves. Substratos pré-atacados por plasma de CF4 revelaram maior adesão em relação a substratos polidos, sem sinais de fissuração durante os 6 km de teste. A avaliação do desempenho biológico in vitro foi efectuada por culturas celulares com células do tipo fibroblástico (linha celular L929 e fibroblastos humanos gengivais) e osteoblástico (linha celular MG63 e medula óssea humana), não revelando quaisquer indícios de toxicidade. Os revestimentos de NCD promovem a adesão, proliferação e crescimento das células do osso, permitindo ainda a estimulação de actividades metabólicas específicas tais como segregação de fosfatase alcalina e expressão do fenótipo osteoblástico, ou seja, a formação de uma matriz mineralizada. As características mecânicas, a biocompatibilidade, a resistência química e nano-topografia semelhante à dos tecidos ósseos, tornam o NCD um óptimo candidato para aplicações ortopédicas e dentárias.