Functionalization of Orthodontic Alloys with DLC Coatings

Trabalho de Projeto do Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica apresentado à Faculdade de Ciências e TecnologiaBiometals stand out in orthodontics due to the excellent combination of mechanical-chemical-physical properties. However, one of the most important considerations is their deterioration by intraoral corrosion, leading to metallic ions release with an inevitable harmful effect on human health and wellness. In fact, the cytotoxicity of Ni, Cr and Fe has been highlighted, and both Ni and its compounds are considered to be carcinogenic according to IARC. It is therefore imperative to develop and implement new strategies in order to minimize those effects without loss in biocompatibility. The present work is related to the Surface Engineering field, and the objective is the development of Diamond-Like Carbon coatings, by magnetron sputtering, as functional barriers to metal release from biomedical metallic alloy. The corrosion resistance of single (DLC) and 10 at.% W-doped (DLC:W) films with Cr interlayer for adhesion improvement was studied. The static immersion tests were performed in artificial saliva solution by selecting two pH values and two bathing times. The corrosion behaviour of fixed orthodontic treatment components was also analysed. The chemical and morphological characterization of the samples was performed by SEM/EDS and AFM, and the contact angles were also measured. The quantification of metallic ions released into the immersion solution baths was obtained by ICP-AES. The results were very satisfactory. It was shown that pitting corrosion, which was detected on austenitic stainless steel orthodontic components, could be avoided by using DLC-based coatings, especially in highly acidic environment. Moreover, the best corrosion behaviour was observed for the single DLC coatings, being the biocompatibility an additive factor. However, the DLC:W coatings did not fulfil the primary expectations, despite of the unchanged chemical composition and morphology characteristics after salivary tests in any aqueous conditions.O recurso a componentes de base metálica na área ortodôntica é recorrente e importante, já que esta classe de materiais exibe um conjunto de propriedades adequadas àquela aplicação. Contudo, existe uma crescente preocupação quanto aos efeitos dos iões metálicos libertados para o corpo humano, resultantes da corrosão in vivo destes materiais. Destaca-se a citoxicidade do Ni, Cr e Fe, em que tanto o Ni como os seus compostos são considerados carcinogénicas para humanos, de acordo com a IARC. Assim, torna-se necessário desenvolver e implementar novas estratégias que minimizem estes efeitos sem perda de biocompatibilidade.O presente trabalho insere-se na área da Engenharia de Superfícies e incide no desenvolvimento, por pulverização catódica magnetrão, de filmes Diamond-Like Carbon como barreira à difusão de metais em ambiente oral. Estudaram-se filmes singulares (DLC) e aditivados com 10 %at. de W (DLC:W), melhorando a adesão ao substrato metálico pela deposição de uma intercamada de Cr. A resistência à corrosão foi avaliada em condições estáticas de imersão em saliva artificial a diferentes tempos e pHs. Foi ainda incluído neste trabalho o comportamento à corrosão de vários componentes constitutivos de um aparelho fixo ortodôntico.A caracterização passou pela avaliação da concentração de iões por ICP-AES e pela análise química e morfológica das superfícies, por SEM/EDS e AFM. A molhabilidade foi avaliada pela medição de ângulo de contato com a superfície. Os resultados obtidos foram bastante satisfatórios e mostraram que a corrosão por picada, observada nos aços inoxidáveis austeníticos das peças ortodônticas, pode ser evitada pelo tratamento das suas superfícies com revestimentos DLC, principalmente em meio aquoso muito ácido. Mais, os revestimentos singulares parecem ser uma solução eficaz na libertação de metais provenientes das bioligas com aumento da biocompatibilidade. Todavia, o comportamento dos filmes DLC:W não correspondeu às expectativas iniciais, apesar das invariâncias morfológicas e químicas registadas em todas as condições de imersão