Silver segregation in Ag/a-C nanocomposite coatings for potential application as antibacterial surfaces

Abstract

O desenvolvimento de superfícies antibacterianas representa um desafio atual em diferentes aplicações industriais, nomeadamente, dispositivos médicos, embalagens alimentares, têxteis e sistemas de tratamento de água. A maioria das bactérias existe em biofilmes que aderem fortemente a diferentes tipos de superfícies uma vez que esta adesão representa um mecanismo estratégico de sobrevivência. O fenómeno da adesão e colonização microbiana resulta na falha de diferentes dispositivos e componentes utilizados nas aplicações acima mencionadas, tendo como consequência perdas económicas elevadas e representando também um problema de saúde pública quando se tratam de aplicações como dispositivos médicos ou embalagens alimentares. Neste sentido, ao longo das últimas décadas o desenvolvimento de superfícies antibacterianas tem sido considerada uma estratégia emergente no desenvolvimento de materiais mais eficientes a serem aplicados em diferentes sectores. O objetivo da presente tese consiste no desenvolvimento e caracterização de revestimentos nanocompósitos multifuncionais baseados em revestimentos de carbono amorfo dopado com nanopartículas de prata (Ag/a-C) para potencial aplicação em superfícies antibacterianas. A Ag é atualmente considerada como o agente bactericida mais promissor e eficiente, sendo que as nanopartículas de prata representam o material mais comercializado na área da nanotecnologia. A estratégia de modificação superficial com revestimentos baseados em carbono amorfo (a-C) tem-se tornado popular do ponto de vista industrial essencialmente, devido entre outras propriedades, à sua resistência ao desgaste tribológico excecional, que permite combinar uma elevada dureza com um baixo coeficiente de atrito, elevada estabilidade química, resistência à corrosão e biocompatibilidade em diferentes aplicações biomédicas. Na atualidade os revestimentos de a-C são utilizados em diferentes aplicações industriais nomeadamente dispositivos médicos, lâminas de barbear e diferentes componentes mecânicos sujeitos a elevado desgaste tribológico. Neste sentido, a combinação das propriedades intrínsecas destes materiais pode ser considerada uma abordagem promissora para o desenvolvimento de revestimentos multifuncionais, os quais podem ser aplicados em diferentes produtos, nomeadamente, dispositivos médicos. Na presente tese os revestimentos nanocompósitos de Ag/a-C são depositados por dois métodos distintos: (i) pulverização catódica em magnetrão e (ii) combinação da pulverização catódica em magnetrão para deposição da camada de a-C e condensação em atmosfera inerte para a incorporação simultânea de nanopartículas de Ag na matrix de carbono. Os métodos acima mencionados são comparados em relação à uniformidade dos revestimentos depositados, permitindo efetuar a escolha do método de deposição mais eficaz (pulverização catódica em magnetrão). Os revestimentos nanocompósitos de Ag/a-C são caraterizados relativamente à sua estrutura, estabilidade termodinâmica em condições ambientais e propriedades funcionais (comportamento tribológico e atividade antibacteriana). O trabalho central da tese é focado na caraterização de revestimentos Ag/a-C contendo 20% at. de Ag, com diferentes espessuras e diferentes estruturas em multicamada. Os resultados sugerem que os revestimentos Ag/a-C são instáveis mesmo em condições ambientais, sendo observado que a Ag é forma nanofibras entre as fronteiras das colunas, as quais recobrem a superfície do revestimento poucas semanas após a produção. O processo de formação de nanofibras é promovido pela humidade, sendo que, as partículas crescem através de um processo de coalescência. As propriedades funcionais sugerem que os revestimentos Ag/a-C são promissores do ponto de vista de actividade antibacteriana, a qual está relacionada com a sua ionização. Os testes tribológicos revelam que em ambiente não lubrificado a presença da Ag promove a degradação dos revestimentos a-C, contudo, em meios biológicos que simulam o líquido sinovial, presente nas articulações da anca, o comportamento tribológico é semelhante aos revestimentos a-C.

The development of antibacterial surfaces represents a great challenge in different industrial applications, namely, medical devices, food packaging industry, textiles or aquatic flow systems. Most of living bacteria are found to grow in biofilms which strongly adhere to different types of surfaces, where they find a strategic survival mechanism. This phenomena leads to the failure of different types of materials used in the above mentioned applications, which represent a huge economic loss and also an public health concern when it comes to fields such as medical devices or food packages. In this sense over the past years the development of antibacterial surfaces has been pointed as a new strategy for the development of more efficient materials to be applied in different industrial sectors. This thesis deals with the development and characterization of multifunctional amorphous carbon coatings doped with Ag nanoparticles (Ag/a-C) for potential application in antibacterial surfaces. Ag is nowadays pointed as the most effective bactericidal agent, which is already the leading material in nanotechnology market. In other hand, the strategy of surface modification with amorphous carbon (a-C) coatings has become very popular due to its unique tribological properties, which allow to combine high hardness and low friction coefficient, chemical inertness and biocompatibility, just to name some of its properties, which has prompted its use in different applications, namely, medical devices, razorblades, mechanical components with enhanced tribological performance. In this sense, the incorporation of Ag nanoparticles within a-C coatings can be regarded as a promising approach for achieving multifunctional properties in different applications, such as medical devices. In the present thesis Ag doped a-C nanocomposite coatings are deposited by two alternative deposition methods based on physical routes: (i) dual magnetron sputtering and (ii) combination of magnetron sputtering for a-C layer deposition and plasma gas condensation for Ag nanoparticles in-situ incorporation in the host matrix. The above mentioned deposition methods are compared with respect to the uniformity in the deposition of large surface areas, which allowed to select the most suitable deposition method (magnetron sputtering). The Ag/a-C nanocomposite coatings are characterized with respect to their structure, thermodynamic stability at room temperature conditions and functional properties (antibacterial activity and tribological behavior). The core thesis work is focused in Ag/a-C nanocomposite coatings containing 20 at.% of Ag, with different thicknesses/morphologies and different multilayer structures. The results suggest that Ag/a-C coatings are unstable even at atmospheric conditions, being found that Ag grows within the coatings column boundaries forming Ag nanowhiskers, which cover the coatings surface few weeks after deposition. The process of Ag nanowhiskering is found to be promoted by the humidity, being found that particles grew through a coalescence process. The functional properties suggest that Ag/a-C coatings are promising in terms of antibacterial activity, which is correlated with the Ag ionization. The tribological tests reveal that in dry sliding condition Ag promotes a degradation in a-C coatings tribological properties; however, in biological medium simulating the synovial fluids, found in joint prosthesis, the tribological behavior is similar to the a-C layer.