Obtenção e caracterização de revestimentos de hidroxiapatita sobre substratos de aço inoxidável 316L utilizando a técnica de deposição química de vapor assistida por chama

Abstract

A Deposição Química de Vapor Assistida por Chama (DQVAC) foi empregada de forma pioneira na obtenção de revestimentos de hidroxiapatita sobre substratos de aço inoxidável 316L. Esta técnica apresenta um grande potencial na deposição de óxidos, principalmente pelo baixo custo de equipamentos e insumos. Para aplicação como biomaterial, é desejável que os revestimentos apresentem cristalinidade, boa aderência, e porosidade, para favorecer a osteointegração. Neste trabalho, foram empregados como solução precursora acetato de cálcio e fosfato de amônio diluídos em álcool. Foram utilizadas as razões molares de Ca/P de 1,666, equivalente à da hidroxiapatita biológica, e 1,100, no intuito de investigar sua influência na microestrutura dos revestimentos obtidos. A temperatura da chama foi mantida constante, tendo-se variado a temperatura do substrato durante as deposições entre 500 e 550ºC, com fluxo da solução precursora de 4, 8 e 12 mL/min. Os tempos de deposição foram de 5, 10 e 20 minutos. Os revestimentos obtidos apresentaram-se porosos, com boa adesão, variando sua espessura entre 66 e 757 μm, principalmente em função do tempo de deposição. O fluxo da solução precursora e temperatura contribuem de modo discreto na determinação da espessura final. Também foi possível identificar partículas que supostamente fundiram na chama e alcançam o substrato com alta plasticidade. As análises por difração de raios X indicaram que a solução precursora de razão molar Ca/P de 1,666 leva a revestimentos cristalinos, com a fase majoritária hidroxiapatita, e pequenas quantidade de fosfato tricálcico (TCP-β). Com razão molar de 1,100, constatou-se a fase pirofosfato de cálcio-α (CPP). Parâmetros de deposição como tempo, temperatura e fluxo da solução precursora não afetaram a presença da fase hidroxiapatita nos revestimentos. Por espectroscopia de infravermelho foram identificados carbonatos nos revestimentos de hidroxiapatita. Análises por microssonda EDS confirmaram que os revestimentos produzidos são formados por cálcio e fósforo, onde a razão em peso de Ca/P varia entre 2,67 até 3,76. Os resultados do ensaio em solução de plasma simulado (SBF) não foram conclusivos quanto à biocompatibilidade dos revestimentos obtidos, sendo necessários ensaios in vitro e in vivo em culturas celulares e em animais para uma maior definição de sua biocompatibilidade.

Flame Assisted Chemical Vapor Deposition was employed for the first time in this work in order to obtain hydroxyapatite coatings on 316L stainless steel metallic substrates. This is a recent technique that shows enormous potential for oxides deposition, mainly due to the low cost of equipment and precursors. Aiming the application of the hydroxyapatite-stainless steel system as biomaterial, crystalline coatings with good adhesion to the substrate are desired, and porosity can favor the osseointegration In this work calcium acetate and ammonium phosphate diluted in alcohol were employed as precursor solution. Ca/P ratios of 1.666 (equivalent to biological hydroxyapatite) and 1.100 were tested, with the purpose of investigating its influence in the microstructure of produced films. Flame temperature was kept constant and substrate temperatures were varied in the range between 500 and 550ºC. Different solution precursor fluxes - 4, 8 and 12 mL/min - and deposition times - 5, 10 and 20 minutes - were also evaluated. The coatings obtained were porous, with good adhesion to substrate and thickness varying between 66 and 757μm, mainly in function of time. Precursor solution flux and temperature contribute in a discreet manner in the determination of final thickness. Also it’s possible to identify particles that probably melted in the flame and reached the substrate with high plasticity. X-ray diffraction results have indicated that a precursor solution with Ca/P ratio of 1.666 leads to crystalline coatings, with the presence of a major phase hydroxyapatite, and traces of tricalcium phosphate (β-TCP). With a ratio of 1.100, α−calcium pyrophosphate (CPP) phase was present in the coating. Parameters as deposition time, temperature and precursor solution flux don’t affect the presence of hydroxyapatite phase in the coatings. By infrared spectroscopy carbonates were identified in the hydroxyapatite coatings. Analysis with EDX confirmed that the produced coatings are formed by calcium and phosphorous, with a Ca/P weight ratio between 2.67 and 3.76. Results of essays by immersion in Simulated Body Fluid (SBF) solution did not permit conclusions about the biocompatibility of the hydroxyapatite coatings. It is necessary to carry out experiments in vitro and in vivo in cell culture and animals for a conclusive evaluation of their biocompatibility.