Development of antibacterial surfaces by deposition of Zinc nanoparticles by magnetron sputtering on Ta2O5 nanostructured surfaces

Abstract

Atualmente, as principais causas para a rejeição de implantes dentários são a lenta osteointegração e consequente adesão e crescimento bacteriano, o que pode levar ao aparecimento de doença peri-implantar. A osteointegração e a inibição da adesão bacteriana podem ser melhoradas através da modificação das propriedades da superfície do implante. Esta dissertação foca-se numa primeira fase na modificação de superfícies metálicas de tântalo (Ta), através de oxidação por plasma eletrolítico (PEO). A modificação por PEO, pretende promover a bioatividade da superfície e acelerar a osteointegração através da mimetização da morfologia e química do osso humano, com a formação de estruturas micro/nanoporosas e incorporação de elementos osteocondutores (cálcio (Ca) e o fósforo (P)). Numa segunda fase, sobre esta superfície bioativa, nanopartículas (NPs) de zinco (Zn), com e sem camada de carbono (C), são depositadas por pulverização catódica em magnetrão para dotar esta superfície com atividade antimicrobiana. Foram testadas diferentes quantidades de NPs depositadas nas superfícies de Ta oxidadas por PEO. Aumentando o tempo de deposição e/ou diminuindo a pressão de trabalho, foi possível depositar maior quantidade de NPs de Zn com diferentes morfologias. A libertação de iões zinco aumentou com o aumento da quantidade de NPs e diminuiu com a deposição da camada de carbono. As superfícies otimizadas, a com maior e a com menor quantidade de NPs, foram estudadas quanto à atividade antimicrobiana e resistência à corrosão. A presença de NPs de Zn teve grande impacto na melhoria da atividade antimicrobiana, com a maior quantidade de NPs a mostrar maior inibição do crescimento de C. Albicans do que a superfície porosa de Ta2O5. Os resultados de corrosão revelaram que a formação de Ta2O5 promovida pela técnica de PEO conduziu à melhoria do comportamento à corrosão, em comparação com o Ta não modificado. Em contrapartida a incorporação das NPs metálicas de Zn promoveu uma degradação da resistência à corrosão das amostras, que foi melhorando com o aumento do tempo de imersão. Estes resultados demonstraram que a incorporação de NPs de Zn nas superfícies porosas de Ta2O5 inibiu eficazmente o crescimento microbiano. Assim, as técnicas de PEO e pulverização catódica de magnetrão são técnicas de modificação de superfícies promissoras para a funcionalização de superfícies de Ta para implantes dentários.

Nowadays, the main causes of the rejection of dental implants are their poor osseointegration and the bacterial adhesion and growth, which may lead to peri-implantitis disease. The osseointegration and the bacteria adhesion inhibition can be enhanced by modifying implant surface properties. This thesis is focused, in a first phase, on the surface modification of metallic tantalum (Ta), by plasma electrolytic oxidation (PEO). The modification by PEO intends to promote the surface bioactivity and accelerate the osseointegration by mimetic the morphology and chemical from the bone, with the formation of micro/nano-porous structures and the incorporation of osteoconductive elements (calcium (Ca) and phosphorus (P)). In a second phase, over these bioactive surfaces, zinc (Zn) nanoparticles (NPs) with and without a thin carbon (C) layer are deposited by magnetron sputtering to endow this surface with antimicrobial activity. Different quantities of NPs deposited on the bioactive surfaces were tested. Increasing the deposition time and/or decreasing the working pressure, it was possible to deposit a higher amount of Zn NPs with different morphologies and sizes. The zinc ions release increased with the amount of the NPs and decreased when the carbon layer covered the NPs. The chosen optimized surfaces, the one with lower and the one with higher ionic release, were further studied regarding the antimicrobial activity and corrosion resistance. The presence of Zn NPs had a great impact on the improvement of the antimicrobial capacity, as the higher quantity of Zn NPs (and higher zinc ions release) showed the highest C. albicans growth inhibition compared to the porous Ta2O5 surface. The C layer did not reveal a significant difference when compared to the respective surface. The corrosion results revealed that the formation of Ta2O5 by the PEO lead to improvement of the corrosion behavior, compared to untreated Ta surfaces. On the other hand, the incorporation of metallic Zn NPs promoted the degradation of corrosion resistance, which improved as a function of immersion time and became closer to the porous Ta2O5 surface corrosion behavior. These results demonstrated that the deposition of Zn NPs onto porous Ta2O5 surfaces efficiently inhibits the microbial growth. Thus, the PEO and magnetron sputtering are promising surface modification techniques for functionalize Ta surfaces for dental implants.