Posouzení biokompatibility tenkých vrstev nanesených metodou PVD napařování elektrickým obloukem a jejich funkcionalizace

Bc. Adéla Coufalová

Master's thesis

Biocompatibility assessment of thin layers deposited by PVD evaporation arc and their functionalization

Abstract:

Tato práce se zabývá vhodností tenkých vrstev karbonitrid titanu (TiCN) a karbonitrid chromu (CrCN) nanesených na nerezové oceli ČSN 10088-1 1.4404 pro biologické aplikace a funkcionalizací těchto tenkých vrstev. Prvním krokem diplomové práce byla volba různých modifikací, které by měly zajistit menší adhezi bakteriálních buněk k povrchu materiálu. Byla zvolena fotolitografická modifikace, potažení vzorků sol-gelem a úprava povrchu dvěma druhy plazmatu (argonovým a kyslíkovým). Fotolitografická úprava i metoda sol-gel byly v kombinaci se zkoumanými vrstvami vyhodnoceny jako nevhodné pro biomedicínské aplikace a v dalších krocích byly zkoumány především modifikace argonovým a kyslíkovým plazmatem. U vzorků byly porovnávány fyzikálně-chemické vlastnosti před a po plazmatické modifikaci povrchů. Byly sledovány především vlastnosti, které mají vliv na adhezi bakterií, tedy povrchová energie, drsnost a chemické složení povrchu. Dále byla měřena interakce mezi povrchem a bakteriálními kmeny Escherichia coli a Staphylococcus aureus. Vzhledem k potenciálnímu využití tenkých vrstev TiCN a CrCN pro biomedicínské aplikace byly vzorky podrobeny testům cytotoxicity pomocí myších fibroblastů 3T3. Cílem diplomové práce bylo vyhodnotit vliv jednotlivých antiadhezivních modifikací na fyzikálně-chemické vlastnosti, bakteriální interakci a cytotoxicitu povrchů tenkých vrstev TiCN a CrCN. Nejvýznamnější vliv na adhezi gramnegativního kmene Escherichia coli měla povrchová energie. Čím více byl vzorek hydrofilní, tím méně bakterií se na jeho povrchu po hodinovém kontaktu vzorku s bakteriální suspenzí uchy-tilo. Hydrofilního povrchu bylo v největší míře dosaženo díky modifikaci kyslíkovým plazmatem. U grampozitivního kmene Staphylococcus aureus bylo možné pozorovat souvislost mezi adhezí buněk a plošnou drsností povrchu. Čím větší hodnota plošné drsnosti byla u vzorku naměřena, tím méně bakterií na daný povrch adherovalo. Plošná drsnost povrchu se lehce zvýšila po použití obou druhů plazmatu, avšak pouze u pěti vzorků ze sedmi studovaných. Pomocí testů cytotoxicity byly vzorky před i po modifikaci vyhodnoceny jako biokompatibilní.

Abstract:

This diploma thesis deals with the evaluation of thin layers of titanium carbonitride (TiCN) and chromium carbonitride (CrCN) coated on stainless steel ČSN 10088-1 1.4404 and their functionalization. The first step was the choice of various modifications which should ensure less adhesion of bacterial cells to the surface of the material. Photolithographic modification, sol-gel coating and surface treatment with two types of plasma (argon and oxygen) were selected. Both photolithography and sol-gel were evaluated as insufficiently resistant for biomedical applications in combination with the studied layers. The physicochemical properties of samples were studied before and after plasma modification of the surfaces. In particular, properties that influence the adhesion of bacteria (surface energy, roughness and chemical composition of the surface) have been studied. The effect of the surface properties on bacterial strains of Escherichia coli and Staphylococcus aureus was observed. Due to the potential use of thin films of TiCN and CrCN for biomedical applications, the samples were subjected to test of cytotoxicity using 3T3 mouse fibroblasts. The aim of the diploma thesis was to evaluate the influence of individual antiadhesive modifications on physicochemical properties, bacterial interaction and cytotoxicity of thin layers TiCN and CrCN. The surface energy had the most significant effect on the adhesion of the gram-negative strain E. coli. Lower number of bacterial cells adhered on hydrophilic samples. The hydrophilic surface was most extensively achieved due to oxygen plasma modification. The gram-positive strain of S. aureus was affected by surface roughness. The higher the surface roughness value of the sample, the less the bacteria adhered to the surface. Surface roughness slightly increased after the use of both plasma types, but only on five samples out of the seven. Using cytotoxicity assays, samples were evaluated as biocompatible.

Keywords

tenké vrstvy, implantáty, biokompatibilita, modifikace, plazma

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 11. 5. 2018

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Lucie Svobodová, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies

Master programme / field:
Nanotechnology / Nanomaterials