Nanocrystalline Diamond Coatings for Biomedical Applications

摘要

A presente tese tem como principal objectivo o desenvolvimento de filmes de diamante nanocristalino (NCD) sobre substratos cerâmicos de nitreto de silicio (Si3N4) visando aplicacoes biomedicas. Os filmes de NCD foram produzidos por deposicao quimica em fase de vapor pelas tecnicas de filamento quente e plasma de microondas (HFCVD e MWCVD, respectivamente). Optimizaram-se os parâmetros de deposicao por HFCVD de modo a obter filmes aderentes e de boa qualidade. Filmes de NCD com cristalites de ~15 nm e ~1 mumxh-1 de velocidade de crescimento obtem-se nas seguintes condicoes: razoes Ar/H2=0.1 e CH4/H2=0.04, pressao 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 razoes Ar/H2 na gama 0-0.63. Com o aumento da temperatura do filamento para 2300ºC e possivel uma velocidade de crescimento de 1.6 mumxh-1 mas o tamanho das cristalites quase duplica para 28 nm. A optimizacao da deposicao por MWCVD permitiu o crescimento de filmes pouco rugosos (Ra~22 nm), cristalite de tamanho ~10 nm, e velocidades ate 3.0 mum˙h-1. Filmes de NCD foram tambem crescidos em substratos compositos Si3N4- biovidro por HFCVD. Para evitar a formacao de bolhas no filme e garantir uma elevada adesao, a temperatura do substrato nao deve ultrapassar a temperatura de transicao vitrea do vidro (637ºC). A velocidade de arrefecimento ideal para evitar delaminacao e cerca de 2ºCxmin-1. A avaliacao biotribologica dos filmes de NCD foi realizada por ensaios homologos pino-placa em movimento alternativo, sob uma carga aplicada de 45 N e na presenca de liquidos fisiologicos: solucao salina de Hanks (Hanks' balanced salt solution (HBSS)) e soro bovino fetal (fetal bovine serum (FBS)). Na presenca de HBSS obtiveram-se valores de atrito inferiores (0.01-0.02) aos verificados em FBS (0.06-0.09), explicados pela adsorcao de proteinas na superficie do filme neste ultimo 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 pre-atacados por plasma de CF4 revelaram maior adesao em relacao a substratos polidos, sem sinais de fissuracao durante os 6 km de teste. A avaliacao do desempenho biologico in vitro foi efectuada por culturas celulares com celulas do tipo fibroblastico (linha celular L929 e fibroblastos humanos gengivais) e osteoblastico (linha celular MG63 e medula ossea humana), nao revelando quaisquer indicios de toxicidade. Os revestimentos de NCD promovem a adesao, proliferacao e crescimento das celulas do osso, permitindo ainda a estimulacao de actividades metabolicas especificas tais como segregacao de fosfatase alcalina e expressao do fenotipo osteoblastico, ou seja, a formacao de uma matriz mineralizada. As caracteristicas mecânicas, a biocompatibilidade, a resistencia quimica e nano-topografia semelhante a dos tecidos osseos, tornam o NCD um optimo candidato para aplicacoes ortopedicas e dentarias.