Coatings on TiN and Ti(C,N) basis for biomedical application to blood contact and TiN/CrN multilayered tribological systems produced by pulsed laser deposition

• Autorzy: Major B. , Bruckert F. , Lackner J. M. , Ebner R. , Kustosz R. , Lacki P.

Warianty tytułu

PL

Powłoki na bazie TiN i Ti(C,N) do kontaktu z krwią przy zastosowaniu biomedycznym oraz TiN/CrN wielowarstwy tribologiczne wytwarzane osadzaniem laserem impulsowym

• Konferencja: SOTAMA Symposium on Texture and Microstructure Analysis (2; 26-28.09.2007; Cracow, Poland)
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Research activity on surface en g ineering performed at the IMIM PAS in last years has been presented. Experiments were focused on TiN and Ti(C,N) thin coatings produced on titanium and biologically applied polyurethane substrates by application of pulsed laser deposition (PLD), magnetron sputtering (MS), and hybrid PLD/MS, at room temperature. Bio-physical tests of the kinetics of shear flow-induced cell detachment have been carried out. Model eucariotic cells easy to manipulate using technics of molecular biology have been used in experiments. Fluorescence patterns obtained after the performed test at kinetics condition tests have been used to establish kinetics curves. A microstructure examination by application of XRD and transmission electron microscopy have been performed. On the basis of the real cell detachment experiment, a finite element simulation was done. The highest shear stress was estimated for the region of the radius of the whole pierced in the center of the upper disc. There are an increasing number of applications in tribology where the properties of a sin gle material are not sufficient. One way to surmount this problem is to use a multilayer coating. Application of metallic interlayers improves adhesion of nitride hard layer in multilayer systems. Tribological coatings consisted of 4, 8 and 32 layers of Cr/CrN and Ti/TiN types were fabricated with the PLD technique. It is found in transmission electron examinations on thin foils prepared from cross-section that both nitride-based multilayer structures studied are characterized by small columnar crystallite sizes and high defect density, what might raise their hardness but compromise coating adhesion. The intermediate metallic layers contained larger sized and less defective columnar structure compared to the nitride layers located at close to the substrate which should improve the coatings toughness. Switching from single layer to multi-layer metal/nitride composition improved resistance to delamination.

PL

Przedstawiono działalność IMIM PAN prowadzoną w ostatnich latach w zakresie inżynierii powierzchni. Badania koncentrowaly się na cienkich warstwach typu TiN i Ti(C,N) wytwarzanych z wykorzystaniem metody osadzania laserem impulsowym (PLD), magnetronowej (MS) oraz hybrydowej PLD/MS w temperaturze pokojowej na podłożu metalicznego tytanu oraz stosowanego biologicznie poliuretanu. Przeprowadzono testy biofizyczne kinetyki wymywania komórek w warunkach naprężenia ścinania generowanego przepływem. W badaniach zastosowano modelowe komórki eukariota, które są dogodne do wykorzystania w eksperymentalnych technikach biologii molekularnej. Obrazy fluorescencyjne uzyskane po przeprowadzonych testach w warunkach kinetycznych wykorzystane zostaly do wyznaczenia krzywych kinetycznych. Przeprowadzono badania mikrostruktury metodą dyfrakcji rentgenowskiej i transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Wykorzystując wyniki rzeczywistego eksperymentu wymywania komórek, przeprowadzono modelowanie metodą elementów skończonych. Najwyższe naprężenia ścinające uzyskano dla obszaru leżącego na brzegu otworu centralnego górnego dysku. Wzrasta ilość zastosowań w tribologii gdy właściwości tworzywa jednowarstwowego są niewystarczające. Jednym z rozwiązań jest wytwarzanie powłok wielowarstwowych. Zastosowanie wielowarstwy metalicznej w układzie Ti/TiN, zawierającym twardą warstwę azotkową, poprawia adhezje. Wytworzone zostały metodą PLD układy tribologiczne składające się z 4, 8 oraz 32 warstw typu Cr/CrN i Ti/TiN. Stwierdzono w badaniach metodą transmisyjnej mikroskopii elektronowej na cienkich foliach uzyskanych z przekroju poprzecznego, że obydwa wielowarstwowe systemy charakteryzują się drobnokrystaliczną strukturą o małej wielkości ziaren kolumnowych z dużą gęstością defektów. Może to wpływać na wzrost twardości, obniżając jednak adhezję powłoki. Międzywarstwy metaliczne zawierają nieco większych rozmiarów i mniej zdefektowaną strukturę kolumnową niż warstwy azotkowe. Warstwa metaliczna jest pierwsząwarstwąprzy podłożu i podnosi ona plastyczność powłoki. Przechodząc od warstwy pojedynczej do wielowarstwy typu metal/azotek uzyskuje siępoprawę odporności na delaminację.

Słowa kluczowe

EN

biomedical coatings; microstructure; texture; cell adhesion; tribological multilayers

PL

warstwy biomedyczne; mikrostruktura; tekstura; adhezja; powłoki wielowarstwowe

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2008
• Tom: Vol. 53, iss. 1
• Strony: 39--48
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Major B.

autor

Bruckert F.

autor

Lackner J. M.

autor

Ebner R.

autor

Kustosz R.

autor

Lacki P.

• INSTITUTE OF METALLURGY AND MATERIALS SCIENCE, POLISH ACADEMY OF SCIENCES, 30-059 KRAKOW, 25 REYMONTA STR. POLAND

Bibliografia

• [1] J. A. Helsen, H. J. Breme, Metals as Biomaterials, Wiley, Baffins Lane, Chichester, West Sussex, England 1998.
• [2] B. D. Ratner, A. S. Hoffman, F. J. Schoen, J. E. Lemon s, Biomaterials Science, Elsevier Inc. 1 (2004).
• [3] D. S. Rickerby, A. Matthews, eds., Advanced Surface Coatings: a Handbook of Surface Engineering, Chapman and Hall. New York 1991.
• [4] J. E. Greene, Physics of film growth from the vapor phase, in multicomponent and Multilayered Thin Films for Advanced Microtechnologies: Techniques, Fundamentals and Devices, edited by Auciello 0., Engemann J., Kluwer Academic Publishers, NATO ASI Series E: Applied Sciences 39, 234 (1993).
• [5] S. J. Bull, D. S. Rickerby, Compositional, microstructural and morphological effects on the mechanical and tribological properties of chromium nitrogen films, Surf.Coat.Technol. 43/44, 732 (1990).
• [6] Y. L. Su, S. H. Yao, Z. L. Leu, C. S. Wei, C. T. Wu, Comparison of tribological behaviour of three films — TiN, TiCN and CrN- grown by physical vapour deposition, Wear 213, 165 (1997).
• [7] S. A. Barnett, A. Madan, I. Kim, K. Martin, Stability of nanometer- thick layers in hard coatings, E-MRS Bulletin 28, 169 (2003).
• [8] D. B. Chrisey, G. K. Hubler, (Eds.), Pulsed Laser Deposition, John Wiley, New York 1994.
• [9] J. C. Miller, R. F. Jr Haglund, (Eds.), Laser Ablation and Desorption, Academic Press, San Diego 30 (1998).
• [10] D. Bäuerle, Laser Processing and Chemistry, Sprin ger-Verla g, Berlin, Heidelberg 2000.
• [11] J. M. Lackner, Industrially-scaled hybrid Pulsed Laser Deposition at Room Temperature: Published by Orekop sc., Krakow, Poland 2005.
• [12] J. L. Lábár, Consistent indexing of a (set of) SAED pattern(s) with the ProcessDiffraction program; Ultramicroscopy 103, 237 (2005).
• [13] J. T. Bonarski, X-ray texture tomography of near surface areas, Progress in Materials Science, 2006, 51, 61-149; (Polish version) Rentgenowska Tomografia Teksturowa: Copyright by Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN, Krakow 2001.
• [14] S. Bozzaro, E. Ponte, Cell adhesion in the life cycle of Dictyostelium, Experientia 51, 1175 (1995).
• [15] J. M. Ashworth. D. J. Watts, Metabolism of the cellular slime mould Dictyostelium discoideum grown in axenic culture. Biochem. J. 119, 175 (1970).
• [16] T. Morio, H. Urushihara, T. Saito, Y. Ugawa, H. Mizuno, M. Yoshida, R. Yoshino, B. N. Mitra, M. Pi, T. Sato, K. Takemoto, H. Yasukawa, J. Williams, M. Maeda, I. Takeuchi, H. Ochiai, Y. Tanaka, The Dictyostelium discoideum developmental cDNA project: generation and analysis of expressed sequence tags from the first-finger stage of development. DNA Res. 5, 335 (1998).
• [17] F. Bruckert, M. Demily, Y. Brecht, L. Boulangé, Kinetics of yeast detachment from controlled stainless steel surfaces; Colloids and Surfaces B, Biointerfaces, Elsevier Inc. 51, 71 (2006).