Antibacterial properties of multifunctional coatings Ag-ZrCN for biomedical devices: a novel approach

Abstract

Nowadays, with the increase of elderly population and related health problems, knee and hip joint prosthesis are being widely used worldwide. However, failure of these invasive devices is still a concern in the medical field thus demanding the revision of the surgical procedure. Within the reasons of failure are wear fatigue and microbial infections ( Staphylococcus epidermidis has emerged as one of the major nosocomial pathogens associated with these infections). In order to minimize this drawback, the surface modification of biomaterials could be a step to improve their general properties. Consequently, the main goal of this work was the development of new coatings, in particular, multifunctional coatings based on Ag-ZrCN, with antibacterial activity, which are able to sustain long and innocuous life inside the patient. These coatings will confer to the usual biomaterials improved physical, mechanical and biological properties. Thin films of Ag-ZrCN, with several silver concentrations and different phasic composition, were deposited onto 316L stainless steel, by DC reactive magnetron sputtering. These coatings were evaluated in terms of chemical, physical, structural, morphological, topographical, mechanical and biological properties. The first approach of this study was to ensure adhesion and fracture resistance, important mechanical properties of the coatings. This coatings’ system, with silver content up to 8 at. %, can be a real asset in terms of mechanical properties, since it improves the performance of usual 316L stainless steel biomaterials. However, regardless the silver content in the Ag-ZrCN coatings, no antibacterial activity was achieved. Hence, to overcome this drawback, an innovative activation procedure on the Ag-ZrCN coatings was performed, by immersion in a sodium hypochlorite (NaClO) solution. In contact with the NaClO, silver in the Ag-ZrCN coatings may form firstly silver hydroxide (AgOH) on its surface, and thereafter silver oxides (Ag2O). Subsequently, Ag2O induced the formation of Ag+. In fact Ag- O was identified in the coating surface after the activation procedure, by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis. In addition the morphological analysis of activated surfaces, by scanning electron microscopy (SEM), revealed silver segregation/diffusion to the film’s surface. These results were confirmed by glow discharge optical emission spectroscopy (GDOES), where the silver distribution profiles was altered after activation. This activation revealed to be essential for the antibacterial activity, as observed by the presence of a halo of inhibition of S. epidermidis on the activated surfaces, in contrast with no activated coatings.

Devido ao aumento mundial da população idosa e consequentes problemas de mobilidade associados à idade, a utilização de próteses ortopédicas do joelho e anca está em franca expansão. No entanto, estes dispositivos médicos continuam a apresentar taxas de falência significativas devido ao desgaste por fadiga e infeções microbianas (por Staphylococcus epidermidis, p. ex., identificada como uma das principais bactérias patogénicas nosocomiais). A modificação da superfície dos biomateriais poderia ser um passo para melhorar as suas propriedades gerais. Por conseguinte, o objetivo principal deste trabalho foi o desenvolvimento de novos revestimentos, em particular, revestimentos multifuncionais à base de carbonitretos de zircónio com prata (Ag-ZrCN), com propriedades antibacterianas, duráveis e inócuos para os pacientes. Em suma, estes revestimentos irão conferir aos biomateriais usuais propriedades físicas, mecânicas e biológicas melhoradas. Os filmes finos de Ag-ZrCN, com várias concentrações de prata e diferentes composições de fase, foram depositados sobre aço inoxidável 316L, por pulverização catódica reativa. As propriedades, químicas, físicas, estruturais, morfológicas, topográficas e biológicas dos revestimentos foram avaliadas. A primeira abordagem deste estudo foi assegurar a adesão e resistência à fratura, propriedades mecânicas importantes nos revestimentos. Os revestimentos com teor de prata até 8 % at. apresentam mais valias em termos de propriedades mecânicas, melhorando o desempenho dos biomateriais habituais em aço inoxidável 316L. No entanto, independentemente do teor de prata nos revestimentos de Ag-ZrCN, não foi obtida atividade antibacteriana. Para superar este problema, foi realizado um procedimento inovador de ativação dos revestimentos de Ag-ZrCN, por imersão numa solução de hipoclorito de sódio (NaClO). Em contacto com o NaClO, a prata dos revestimentos de Ag-ZrCN pode formar, em primeiro lugar, hidróxido de prata (AgOH) à superfície e posteriormente óxidos de prata (Ag2O). De facto, a espectroscopia de fotoeletrões excitados por raios X (XPS) permitiu a identificação da ligação Ag-O à superfície do revestimento, após o procedimento de ativação. Adicionalmente, a análise da morfologia das superfícies ativadas, por microscopia eletrónica de varrimento (SEM), revelou segregação/difusão da prata para a superfície do revestimento. Estes resultados foram confirmados por espectroscopia de emissão ótica de descarga luminescente (GDOES), com perfis de distribuição de prata alterados, depois da ativação. A ativação revelou-se essencial para a atividade antibacteriana, observando-se a presença de um halo de inibição da S. epidermidis à volta das superfícies ativadas, em contraste com os revestimentos não ativados. A caracterização estrutural (por difração de raios-X (XRD) e espectroscopia Raman) dos revestimentos permitiu identificar revestimentos com e sem uma matriz de carbono amorfo nc- ZrCN/nc-Ag/a-CNx e nc-ZrCN/nc-Ag, respetivamente. De facto, as diferentes morfologias, confirmadas em secção transversal por SEM devem-se à composição fásica dos revestimentos. A estrutura colunar dos revestimentos com matriz de carbono amorfa pode atuar como “canal de irrigação” para a penetração do agente oxidante para áreas mais profundas dos revestimentos, melhorando o processo de ativação. Este dado foi confirmado pelos resultados da espectroscopia de emissão ótica por plasma acoplado indutivamente (ICP-OES), que indicam uma maior ionização da prata. A maior rugosidade (medida por microscopia de força atómica (AFM)) dos revestimentos ativados, principalmente no sistema com carbono amorfo, confirmou a formação favorecida de nanoprata oxidada na sua superfície. As propriedades antibacterianas dos revestimentos ativados com matriz amorfa de carbono evidenciam-se, apresentando halos de inibição do crescimento bacteriano maiores e regulares, comparativamente com os revestimentos sem matriz de carbono amorfo. Como estes revestimentos se destinam a ser usados como biomateriais, a citotoxicidade celular humana também foi avaliada. De facto, o revestimento ativado com o mais alto teor de prata mostrou citotoxicidade in vitro e por isso foi descartado. No entanto, no mesmo sistema, o revestimento ativado com menor teor de prata (6 at.%) não mostrou qualquer citotoxicidade, apresentando ainda um bom desempenho na redução de biofilme (4 log). Assim, pode concluir-se que é possível melhorar o desempenho dos implantes de anca, revestindo-os com o sistema Ag-ZrCN ativado, sem comprometer as propriedades mecânicas e adicionalmente, sem citotoxicidade e com muito boas características antibacterianas.