Progettazione ed ottimizzazione di nuovi rivestimenti sottili in carburo di Titanio per applicazioni biomedical

Obbiettivo di questo progetto è stato quello di sviluppare rivestimenti di carburo di Titanio su substrato di Titanio che siano biocompatibili.

La biocompatibilità di protesi, stent, valvole ecc.. si basa sulla loro tolleranza da parte di un organismo vivente; in particolare con tale termine si stabilisce l’accettazione di un impianto artificiale da parte dei tessuti circostanti, in termini di sviluppo e accrescimento di cellule sulla superficie del componente.

Una adesione stabile tra la superficie del biomateriale ed i tessuti circostanti è uno dei più importanti prerequisiti per un impianto di successo.

In letteratura sono presenti numerosi lavori circa la biocompatibilità di questa tipologia di rivestimenti con cellule per la rigenerazione ossea (osteoblasti) ed anche rivestimenti emocompatibili, quali ad esempio rivestimenti metallici o carburici, per l’assorbimento di

una proteina plasmatica utilizzata dal corpo umano per la coagulazione del sangue (fibrinogeno) e per l’adesione di piastrine.

In generale i coatings più utilizzati nel settore medicale sono di carburo di Titanio poiché tali rivestimenti hanno una grande abilità a formare legami forti con il substrato (tipicamente titanio, alluminio, acciaio) e possiedono elevate proprietà di durezza e resistenza all’abrasione oltre a mostrare una eccellente biocompatibilità dovuta alla presenza di una certa percentuale di atomi di carbonio nella matrice metallica. Per tale ragione in questo progetto sono stati progettati e realizzati questo tipo di rivestimenti. Il principale problema che si presenta in una protesi osteointegrativa è relativa alla possibilità di sfogliamento o deadesione del rivestimento a seguito del carico a cui è soggetta, generando problemi di mobilità della protesi stessa. I detriti che si generano provocano una locale infiammazione con successiva infezione e rigetto dell’impianto. È necessario pertanto sviluppare un rivestimento che abbia buone proprietà biocompatibili e soprattutto buone proprietà meccaniche in termini di aderenza del rivestimento al substrato ed un elevato valore di durezza e modulo elastico.

Per tale motivo l’attività si è focalizzata sulla modifica dei parametri di processo dell’impianto di deposizione al fine di poter ottimizzare tali prestazioni.

A tal fine è stata condotta, una campagna sperimentale volta a caratterizzare le proprietà del rivestimento tramite prove di nanoindentazione e scratch test. I risultati sono stati successivamente correlati con i parametri di processo. In tal modo è stato possibile identificare i parametri di processo ottimali che ottimizzano gli indici prestazionali meccanici.

Per il rivestimento ottimale, i test di nanoindentazione hanno mostrato un valore di durezza pari a 25,3 GPa e un valore di modulo elastico di 282,7 GPa.

(a) (b)

Per quanto riguarda i test di adesione, il risultato migliore è stato quello che ha consentito di calcolare un valore di delaminazione pari a 5 N a 417 µm dall’inizio del graffio.

A causa dell’elevata rugosità della superficie, non è stato possibile identificare il carico critico LC1 relativo all’insorgere della prima cricca sul bordo della traccia (cedimento coesivo del rivestimento) e il carico critico LC2 relativo al primo cedimento adesivo (chipping) a bordo traccia.

Il carico critico di delaminazione LC3, identificato dalla fuoriuscita del substrato nella traccia dello scratch, è stato riscontrato dagli andamenti dei segnali di coefficiente di attrito e forza tangenziale, sebbene, i segnali erano soggetti a forte rumore.

Non è stata possibile effettuare la micrografia di conferma relativa alla posizione del LC3 tramite il sistema ottico presente sullo strumento, ne tantomeno con i microscopi ottici, a causa della eccessiva rugosità del rivestimento che mascherava la traccia dello scratch. Pertanto la superficie dei campioni è stata analizzata tramite microscopio elettronico a scansione (SEM) sia con il detector degli elettroni retroddiffusi, sia con il detector degli elettroni secondari (Figura II.12).

(a) (b)

Figura II.12 micrografia relativa alla traccia dello scratch in BSE (a) e SE (b) – FIB – 5 kV – 500X

L’immagine con gli elettroni retrodiffusi ha permesso di identificare il punto esatto in cui si verificava la fuoriuscita del substrato, dimostrata dalle zone chiare presenti sulla traccia del scratch rispetto al restante colore più scuro del rivestimento.

Con gli elettroni secondari è stata realizzata un’immagine per poter mostrare la morfologia del rivestimento, la traccia dello scratch e quindi la posizione esatta della prima esposizione del substrato a partire dall’inizio dello scratch.

Tuttavia le buone proprietà meccaniche del rivestimento di carburo di Titanio sono una condizione necessaria ma non sufficiente per la biocompatibilità dell’impianto. Infatti, per questo tipo di applicazioni, sono molto critici lo stato chimico e la morfologia della superficie. Tenendo conto che l’ adesione delle cellule promotrici dell’osso (gli osteoblasti) avviene su superfici che presentano un certo grado di rugosità, durante lo svolgimento del progetto sono stati correlati i parametri di processo con la morfologia della superficie, il suo stato chimico e i risultati delle prove in vitro (con cellule e proteine promotrici dell’osso).

Per quanto riguarda la morfologia e lo spessore del rivestimento, è stata identificata la rugosità ottimale tramite microscopia a doppio fascio (FIB-Dual Beam), come mostrato in Figura II.13.

(a) (b) (c)

Figura II.13 Calcolo dello spessore del rivestimento (a) identificazione della zona sulla quale effettuare lo scasso – FIB – SE – 10kV – 1.500X; (b) applicazione di uno strato di platino protettivo e

successivo scasso - FIB – SE – 30 kV – 15.000X; (c) lucidatura della cross-section e misura dello spessore – FIB – SE – 5kV – 80.000X

Mentre, per quanto riguarda lo stato chimico della superficie, è stata effettuata una analisi mediante misura della bagnabilità e dell’energia superficiale.

La tecnica di caratterizzazione sviluppata durante l’attività di dottorato ha permesso una analisi completa dello stato chimico-fisico della superficie, identificando la condizione ottimale per l’adesione, nonchè la crescita e la proliferazione cellulare. Infatti attraverso le misure di bagnabilità ed energia superficiale è possibile predire il comportamento

Dalla letteratura è stata verificata l’effettiva correlazione tra questi due parametri con l’ adesione cellulare e l’ assorbimento proteico. In generale, superfici idrofile consentono un debole assorbimento di proteine a differenza delle superfici idrofobe.

L’adesione cellulare è funzione del grado di idrofobicità la quale a sua volta è legata alla rugosità e alla morfologia della superficie, ad esempio le cellule per la ricrescita ossea, gli osteoblasti, hanno buona adesione su superfici parzialmente idrofobe (circa 70°).

In generale per la valutazione dell’idrofilicità/idrofobicità delle superfici, si fa riferimento all’angolo di contatto del liquido, tipicamente l’ acqua, sul rivestimento. Il rivestimento ottimizzato di carburo di Titanio, presenta un valore di bagnabilità pari a 67°.

Come qualsiasi altro fenomeno di adesione, stabilito il grado di bagnabilità della superficie, è fondamentale valutare l’energia superficiale del rivestimento che fornisce un indicazione più accurata circa il grado di adesione.

In riferimento a questo specifico campo di applicazione (biomedicale), si è fatto uso del modello di Van Oss-Chaudhury-Good, che rappresenta il modello matematico più aggiornato, i cui risultati consentono di determinare le interazioni acido-base di Lewis, fondamentali per la biocompatibilità. Tale modello, infatti, si basa sulla teoria acido/base di Lewis, secondo la quale, come ben noto, un acido è una sostanza capace di accettare un doppietto elettronico da un’altra specie chimica, mentre una base è una sostanza capace di donare un doppietto elettronico ad un’ altra specie chimica (ref. paragrafo I.3.5).

Quando una base ed un acido di Lewis reagiscono, si instaura un legame di coordinazione; in genere tale legame si instaura tra molecole complesse per completare la regola dell’ottetto.

L’ adesione cellulare si basa su tale teoria, infatti le proteine e le glicoproteine presenti sulla membrana cellulare sono cariche positivamente e quindi si legano a composti basici. Inoltre tutte le proteine sono più stabili a pH basico, infatti un pH anche leggermente acido (<6) potrebbe determinarne la degradazione.

Pertanto, l’ adesione cellulare dipende innanzitutto dal valore di energia superficiale totale del campione: Dal grafico seguente si può vedere che tra i 4 differenti campioni, relativi all’ultimo step di ottimizzazione dei parametri di processo, solamente il 1121 e 1122 possiedono una elevata energia superficiale. Si sottolinea che tali valori, sono in accordo con i valori presenti in letteratura relativi a campioni con buona adesione cellulare.

Figura II.14 confronto dell’energia superficiale dei quattro campioni TiC analizzati

L’impiego di tale modello consente di determinare la componente polare e dispersa dell’energia superficiale totale. Sulla base di quanto detto in precedenza, al fine di avere buona adesione, si preferiscono campioni che hanno un elevato valore della componente polare, ciò viene confermato dal grafico in Figura II.15 che dimostra che dei quattro campioni in esame, i valori maggiori della componente polare vanno attribuiti ai campioni 1119, 1121.

Pertanto ai fini della biocompatibilità ed eventuali prove in vitro, il risultato migliore è sicuramente quello ottentuo per il campione 1121, poiché non solo presenta un elevato valore di energia sueperficiale totale, ma soprattutto un elevato componente della parte polare.

Figura II.15 confronto delle due componenti dell’energia superficiale, polare e dispersa.

Tale modello consente, come detto in precedenza, di valutare anche le frazioni acide e basiche dell’energia di superficie. La buona adesione cellulare e l’assorbimento proteico è incrementata da un elevato valore della frazione basica. I risultati hanno mostrato che il campione 1119 presenta il valore maggiore della componente basica, seguito dal campione 1120; tuttavia il campione 1119, pur avendo il valore più alto di frazione basica, viene scartato poiché presenta un valore basso sia di energia superficiale totale che di componente polare.

Figura II.16 confronto della frazione basica dell’energia superficiale.

Pertanto come sintetizzato anche nella seguente tabella il risultato ottimale è stato ottenuto nel caso del campione 1121 il quale presenta non solo un elevato valore di energia superficiale totale, ma anche un elevato valore della componente polare e della frazione basica. campione Energia superficiale totale [mJ/m2] Componente dispersa [mJ/m2] Componente polare [mJ/m2] Frazione acida [mJ/m2] Frazione basica [mJ/m2] 1119 43.39 42.06 1.33 0.029 15.39 1120 43.73 43.51 0.22 0.012 0.997 1121 48.91 44.69 4.21 0.468 9.468 1122 48.013 46.83 1.18 0.052 6.728 Tabella II-4

Il campione 1121 oltre ad avere ottime proprietà superficiali per promuovere l’adesione la crescita cellulare, presenta anche buone proprietà meccaniche come dimostrato in precedenza.

È stato dimostrato quindi, che lo studio delle proprietà superficiali e dei fenomeni adesivi, rappresentano una problematica presente nei più svariati campi di applicazione, sia scientifica che industriale. La versatilità della tecnica di misura dell’angolo di contatto, con i relativi modelli, ha consentito di effettuare una caratterizzazione di questi nuovi rivestimenti biocompatibili risparmiando risorse temporali ed economiche, riducendo le analisi in vitro solo ai campioni ottimizzati. Le analisi in vitro effettuate sui campioni ottimizzati hanno confermato l’eccellente biocompatibilità del rivestimento.

II.3.3 Messa a punto di rivestimenti DLC, realizzati mediante tecnologia