Activitati si progres

Pornind de la analiza stadiului cercetărilor pe plan naţional, european şi internaţional a domeniul abordat, in cadrul etapei 1 a proiectului a fost realizat un studiu tehnic privind materialele biocompatibile, tehnicile de fabricatie a componentelor biocompatibile, metodele de depunere a straturilor micro-nanostructurate si de caracterizare a acestora din punct de vedere fizico-mecanic, structural si tribologic.

In etapa a doua a proiectului a fost realizata o metodologie cadru pentru analiza sistemica a tehnologiilor de acoperire, de caracterizare si evaluare a capabilitatii aplicative a rezultatelor aplicarii acestora, prin acoperiri micro-nano-structurale cu filme subtiri a suporturilor metalice si ceramice. Schemele metodologice proiectate pentru procesele tehnologice analizate au fost structurate unitar, pe etape de realizare şi în conformitate cu cerinţele reglementărilor europene privind abordările metodologice. Proceduri generale suplimentare au fost realizate pentru a contribui la finalizarea cat mai completa a proiectului si care documentează sis­temul de management al calităţii activităţi­lor experimentale.

Porrnind de la metodologia realizata in etapa anterioara, in etapa a 3-a a proiectului au fost definite proceduri experimentale specializate pentru realizarea de straturi subtiri micro-nanostructurate utilizand metodele magnetron sputtering, cathodic arc si electron beam physical vapor deposition (depunerea fizica de vapori cu fascicul de electroni); proceduri experimentale specializate pentru caracterizari fizico-mecanice, respectiv determinarea duritatii, aderentei si elasticitatii caracterizari structurale si pentru caracterizarea topografiei superficiale a straturilor micro-nanostructurate; proceduri pentru evaluarea capabilitatii aplicative a depunerilor de straturi micro-nanostructurate pe capetele femurale ale protezelor de sold.

Principalul obiectiv al etapei 4 a fost obtinerea unor straturi subtiri micro-nanostructurate cu grosimi diferite, din materiale variate, depuse pe substraturi metalice. In acest scop, a fost realizat un program de cercetari experimentale si un raport de cercetare a straturilor subtiri obtinute.

Inainte de a depune materialele biocompatibile, substraturile de CoCr si otel M30NW au fost procesate prin taiere si slefuire a probelor. Straturi de Ti, Cr, TiO2, TiN si CrN cu grosimi de 500 nm, 1 μm si 1,5 μm au fost obtinute prin depunere folosind metodele DC sputtering (pulverizare catodica in regim dioda), HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering - pulverizare magnetron cu impuls puternic) si cathodic arc (evaporare termica cu arc electric).

Informatii despre structura si uniformitatea acestor straturi au fost obtinute dupa o inspectie la nivel macro, printr-o descriere optica a acestora. Pentru o caracterizare mai amuntita, filmele subtiri depuse au fost analizate si la scala microscopica utilizand microscopia de forta atomica. In urma acestor caracterizari s-a observat faptul ca intre strat si substrat exista o buna conexiune, materialele depuse penetrand complet iregularitatile materialului substratului, obtinandu-se filme subtiri uniforme pe substraturile folosite.

In etapa 5 a proiectului au fost realizate caracterizari fizico-mecanice, structurale, topografice si tribologice a straturilor subtiri depuse, in vederea determinarii calitatii acestora. In acest scop, a fost realizat un program de cercetari experimentale si un raport de cercetare a proprietatilor straturilor subtiri obtinute si caracterizate.

Au fost realizare teste de nanoindentare (pentru determinarea duritatii si a modulului de elasticitate) si teste tribologice (pentru determinarea coeficientului de frecare si a ratei de uzura) a straturilor subtiri micro-nanostructurate de TiO2, TiN si CrN cu grosimi de 500 nm, 1 μm si 1,5 μm depuse prin cele trei metode in etapa anterioara.

Principalele rezultate obtinute in urma testelor de nanoindentare sunt: curbele forță-deplasare care au putut fi fitate pentru obtinerea valorilor  medii ale duritatii H si a modulului de elasticitate E (Fig. 1) pentru toate esantioanele testate. In urma testelor tribologice au fost obtinute rezultate care au permis masurarea valorii coeficientului de frecare COF si calcularea valorii medii a ratelor de uzura. In plus, a fost analizata variatia COF in functie de timp (Fig. 2) si profilele urmelor de uzura (Fig. 3) pentru toate esantioanele din fiecare tip de strat.

Fig. 1. Grafice nanoindentare a stratului de TiO₂ depus pe substrat de otel M30NW.

Fig. 2. Variatia coeficientului de frecare in functie de timp

Fig. 3. Profil urma uzura

Caracterizatea fizico-mecanica si tribologica a acestor probe a oferit informatii legate de calitatea materialului depus si influenta tehnicii de depunere. Astfel, stratul de TiN cu grosime de 1,5 μm, depus pe substratul de CoCr si pe cel de otel, a prezentat parametrii tribologici superiori atunci cand se foloseste metoda de depunere prin arc catodic. Calitatea superioara a stratului de TiO2 depus prin DC sputtering pe ambele tipuri de substraturi a fost demonstrata de analizele realizate. Stratul de CrN cu grosime de 1,5 μm prezinta caracteristici superioare atunci cand este depus pe ambele tipuri de substrat utilizand DC sputtering.

Obiectivul etapei 6 a fost realizarea de experimente care sa contribuie la determinarea capabilitatii de utilizare a straturilor subtiri nanostructurate in mediul real. Este vorba de testarea in mediu similar celui real a capetelor femurale de sold acoperite cu aceste filme. In acest scop a fost realizat un program de cercetari experimentale, un raport de cercetare si, in final, un articol in care au fost publicate principalele rezultate obtinute.

Capete femurale de CoCr cu diametru de 28 mm au fost realizate prin imprimare 3D, cupe acetabulare din UHMWPE cu diametru interior de 28 mm si tije femurale din otel biocompatibil tip Rul au fost realizate prin metode de prelucrare mecanica în laboratoarele INCDMTM. (Fig. 4)

Fig. 4. (a) Componente proteza de sold. (b) Proteza de sold asamblata

Pe capetele femurale de CoCr si pe capete femurale de otel-inox nitrogenat au fost depuse straturi cu grosime de 1,5 µm de TiN utilizand metoda cathodic arc, si TiO2, respectiv CrN prin DC sputtering. Aceste metode si grosimi au fost alese in urma rezultatelor obtinute in etapele anterioare ale proiectului, in urma carora s-a concluzionat ca acestea ofera cea mai buna rezistenta celor doua tipuri de substrat. Pe langa aceste proteze, au fost folosite, pentru comparatie, doua proteze cu aceleasi componente, dar cu cap femural neacoperit din CoCr si din otel M30NW. Toate acestea au fost testate pentru determinarea rezistentei la uzura a straturilor subtiri depuse, utilizand sisteme speciale de testare, in final fiind analizata suprafata lor. La nivel macroscopic (Fig. 5), pe unele componente au fost observate urme de material, iar la nivel microscopic a fost determinata o crestere a rugozitatii suprafetei capului femural neacoperit in comparatie cu capetele femurale acoperite. Acest lucru a dovedit faptul ca straturile subtiri de TiN, TiO2 si CrN ofera o protectie impotriva uzurii.

Fig. 5. Cupa acetabulara cu urma de CrN, integrata in modulul sistemului de testare la uzura.

In functie de material, uzura suprafetei a avut un nivel diferit, astfel TiN si CrN au avut o rezistenta mai buna la uzura comparativ cu TiO2. Daca se ia in considerare metoda utilizata la depunere, s-a observat ca straturile depuse prin DC sputtering au avut o rugozitate mai scazuta in urma testelor, ceea ce inseamna ca au o rezistenta mai buna la uzura. Astfel, din datele experimentale obtinute, s-a observat ca stratul care a fost cel mai rezistent la uzura, prezentand cel mai mare grad de aplicabilitate, a fost stratul de TiN cu grosime de 1,5 µm depus prin metoda DC sputtering.

Avand la baza rezultatele din etapele precedente, in etapa 7 a fost realizat un studiu analitic procedural comparativ al acestor rezultate, pentru a determina varianta optima de cuplu material substrat-material depus, care sa satisfaca cerintele diferitelor aplicatii biomedicale, in principal proteze de sold, din punct de vedere al durabilitatii și sustenabilitatii unei vieti normale a pacientilor. Ca rezultate finale ale cercetarilor desfasurate in cadrul acestei etape a fost realizat un studiu analitic si un articol in care au fost publicate principalele rezultate obtinute.

Influenta grosimii stratului fiecarui material (Fig. 6) si al metodei de depunere asupra valorilor duritatii si ale modulului de elasticitate a fost determinata in urma caracterizarii fizico-mecanice si analizei comparative a rezultatelor.

Fig. 6. (a) Variatia duritatii (a) si a modulului de elasticitate (b) 

in functie de grosimea stratului de TiN depus pe substrat de otel

Analiza comparativa a COF si a ratei de uzura a straturilor subtiri depuse a ajutat la obtinerea unor date legate de influentei grosimii stratului si al metodei de depunere (Fig. 7) asupra acestor parametrii tribologici.

 Fig. 7. Variatia coeficientului de frecare (a) si a ratei de uzura (b) in functie de metoda de depunere a straturilor cu grosime de 1 µm depuse pe substrat de CoCr si pe substrat de otel.

Informatiile obtinute in urma analizei comparative a rezultatelor experimentale au dovedit faptul ca utilizarea straturilor subtiri, cu proprietati superioare, in mediu similar celui real ofera o rezistenta crescuta a protezelor de sold pe care sunt depuse.

Astfel, din datele experimentale obtinute si analizate, s-a observat ca stratul care a fost cel mai rezistent la uzura, prezentand cel mai mare grad de aplicabilitate, a fost stratul de TiN cu grosime de 1,5 µm depus prin metoda DC sputtering.

In etapa 8 a fost realizat un raport de cercetare final al proiectului si au fost diseminate rezultatele proiectului prin realizarea a doua articole.

S-a ajuns la concluzia ca toate rezultatele obtinute in fazele realizate ale proiectului au contribuit la finalizarea acestuia. Informatiile obtinute sunt importante in viitor, avand in vedere ca analiza comparativa a stabilit stratul subtire depus, cu proprietati superioare, ce poate fi utilizat pentru aplicatii biomedicale.