RO127024B1 - Carbonitride thin layer materials for biomedical applications - Google Patents

Carbonitride thin layer materials for biomedical applications Download PDF

Info

Publication number
RO127024B1
RO127024B1 ROA201000022A RO201000022A RO127024B1 RO 127024 B1 RO127024 B1 RO 127024B1 RO A201000022 A ROA201000022 A RO A201000022A RO 201000022 A RO201000022 A RO 201000022A RO 127024 B1 RO127024 B1 RO 127024B1
Authority
RO
Romania
Prior art keywords
ranging
materials
thickness
multilayer
individual layers
Prior art date
Application number
ROA201000022A
Other languages
Romanian (ro)
Other versions
RO127024A2 (en
Inventor
Viorel Braic
Mariana Braic
Mihai Bălăceanu
Cătălin Nicolae Zoiţa
Adrian Emil Kiss
Alina Vlădescu
Original Assignee
Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Optoelectronică - Inoe 2000
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Optoelectronică - Inoe 2000 filed Critical Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Optoelectronică - Inoe 2000
Priority to ROA201000022A priority Critical patent/RO127024B1/en
Publication of RO127024A2 publication Critical patent/RO127024A2/en
Publication of RO127024B1 publication Critical patent/RO127024B1/en

Links

Landscapes

  • Materials For Medical Uses (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

The invention relates to biocompatible thin layer materials, as mono- and multilayers, based on quaternary compounds of carbonitrides of biocompatible transition metals such as Ti, Zr, Nb, Ta, or Hf used for current biomedical applications, obtained by physical vapour deposition, by magnetron sputtering or cathode arc, in reactive plasma which may contain atoms and ions of titanium, zirconium, niobium, tantalum, hafnium, nitrogen or carbon, depending on the nature of the deposited materials. According to the invention, the materials are made of the following compounds TiZrCN,TiHfCN,TiTaCN,TiNbCN, ZrHfCN, ZrTaCN, ZrNbCN, TaHfCN, TaNbCN and NbHfCN with a wide stoichiometric range 0.9 ≤ (C+N)/(M+M) ≤ 3, with a ratio of atomic concentration of elements C/N in the layer ranging between 0.5...2, with a total thickness of layer ranging between 1...4 μ m, the multilayer materials being formed of 8...120 alternating individual layers of TiZrCN,TiHfCN,TiTaCN,TiNbCN, ZrHfCN, ZrTaCN, ZrNbCN, TaHfCN, TaNbCN or NbHfCN with a thickness ranging between 20...250 nm, with the thickness ratio of individual layers ranging between 0.4...2 and with a total thickness of multilayer in the range of 1...4 μ m, adherent to substrate, critical normal forces measured in scratch adhesion testing being between 30...50 N and having a microhardness in the range of 18...32 GPa, exhibiting an average roughness lower than 10 nm and the value of the cellular viability factor ranging between 90...95% upon cytotoxicity assay.

Description

Invenția se referă la un material multistrat din carbonitruri, realizat din straturi subțiri biocompatibile, pe bază de compuși cuaternari din carbonitruri ale unor metale, pentru aplicații biomedicale.The invention relates to a multilayer carbonitrile material, made of biocompatible thin layers, based on quaternary carbonitride compounds of some metals, for biomedical applications.

în momentul de față, sunt cunoscute carbonitruri în sisteme cuaternare (TiAICN, TiZrCN, TiVCN, TiCrCN), care au fost extensiv analizate din punct de vedere al proprietăților lor microchimice, microstructurale, mecanice și tribologice, fiind considerate ca având un potențial aplicativ deosebit pentru acoperirea unor componente utilizate în industriile constructoare de mașini, chimică, electrotehnică, electronică, optică etc.At present, carbonitrides in quaternary systems (TiAICN, TiZrCN, TiVCN, TiCrCN) are known, which have been extensively analyzed in terms of their microchemical, microstructural, mechanical and tribological properties, being considered to have a special potential for application. coverage of components used in the car, chemical, electrotechnical, electronic, optical, etc. industries.

în prezent implanturile medicale metalice sunt realizate din titan și aliaje ale sale, din oțel inoxidabil austenitic și aliaje pe bază de CoCr. Pe fondul creșterii speranței de viață și a duratei de viață activă a populației, apare necesitatea creșterii duratei medii de viață a implanturilorîn organismul uman, până la 20...40 de ani. Degradarea implanturilor medicale este generată în principal de fenomenele de uzură și oboseală, precum și de respingerea de către organism din cauza reacțiilor citotoxice.Currently the metal medical implants are made of titanium and its alloys, austenitic stainless steel and CoCr-based alloys. Against the background of the increase of life expectancy and of the active life of the population, it appears the necessity of increasing the average life of the implants in the human body, up to 20 ... 40 years. The degradation of the medical implants is mainly caused by the phenomena of wear and fatigue, as well as the rejection by the body due to cytotoxic reactions.

Este cunoscut, din documentul US 4269899 A, un material de acoperire din carbură, nitrură și carbonitrură de Hf și Ti, cu minimum un strat de tip soluție solidă (Hf/Ti)CN, iar documentul JPH 09207006 (A) prezintă un material de acoperire tip cermet, cu rezistență la abraziune și bună aderență la suprafața piesei metalice, format din minimum o carbonitrură, în particular: fază tip NbTaCN, cu particule liate cu o fază tip Co-Ni (revendicarea 1; rezumat (PAJ)).It is known, from US document 4269899 A, a carbide, nitride and carbonitride coating material of Hf and Ti, with at least one solid solution type (Hf / Ti) CN, and JPH 09207006 (A) has a coating material of cermet type coating, with abrasion resistance and good adhesion to the surface of the metal part, consisting of at least one carbonitride, in particular: NbTaCN type phase, with particles bound with a Co-Ni type phase (claim 1; abstract (PAJ)).

De asemenea, documentul JP 2009006426 (A) prezintă un material de acoperire a unei scule metalice, compus dintr-un strat de acoperire inferior, aderent la suprafața sculei metalice, din carbonitrură tip TiZrCN, și un strat superior, din oxid de aluminiu.Also, JP 2009006426 (A) shows a metal tool coating material, composed of a lower coating layer, adhering to the surface of the metal tool, made of TiZrCN carbonitride, and an upper layer, of aluminum oxide.

Problema pe care își propune să o rezolve invenția revendicată constă în creșterea timpului de “viață” a implanturilor și a dispozitivelor medicale, prin acoperirea lor cu un material biocompatibil rezistent la uzură și coroziune în mediile biologice din corpul uman.The problem that the claimed invention aims to solve is to increase the "life" time of implants and medical devices, by covering them with a biocompatible material resistant to wear and corrosion in biological environments in the human body.

Materialul din carbonitruri cuaternare, conform invenției, rezolvă problema tehnică menționată prin aceea că prezintă proprietăți biocompatibile superioare și rezistență sporită la coroziune și uzură, fiind constituit din minimum un strat din carbonitruri cuaternare având formula generală Me1Me2CN, unde Me., și Me2 sunt metale diferite dintre Ti, Zr, Nb, Ta, Hf, materialul subformă de multistrat având formula generală Me1Me2CN/Me3Me4CN, unde Me·,, Me2, Me3 și Me4 sunt metale diferite dintre Ti, Zr, Nb, Ta și Hf, și fiind constituit dinThe material of quaternary carbonitrides, according to the invention, solves the mentioned technical problem by having superior biocompatible properties and increased resistance to corrosion and wear, being at least a layer of quaternary carbonitrile having the general formula Me 1 Me 2 CN, where Me., And Me 2 are metals different from Ti, Zr, Nb, Ta, Hf, the plywood material having the general formula Me 1 Me 2 CN / Me 3 Me 4 CN, where Me · ,, Me 2 , Me 3 and Me 4 are metals different from Ti, Zr, Nb, Ta and Hf, and consisting of

8.. .120 straturi individuale alternate de carbonitruri de tipul menționat, având grosimi de8 .. .120 alternating individual layers of carbonitrides of said type, having thicknesses of

20.. .250 nm, cu raportul grosimilor individuale de 0,4...2 și cu o grosime totală a multistratului de 1...4 pm.20 .. .250 nm, with the ratio of the individual thicknesses of 0.4 ... 2 and with a total thickness of the multilayer of 1 ... 4 pm.

Performanțele superioare ale compușilor cuaternari care fac obiectul invenției sunt determinate de formarea unor soluții solide în stare de echilibru, care prezintă structuri nanocompozite cu granulație nanometrică (fină).The superior performances of the quaternary compounds that are the subject of the invention are determined by the formation of solid equilibrium solutions, which present nanocomposite structures with nanometric (fine) granulation.

Materialul biocompatibil, mono- și multistrat, pentru acoperirea implanturilor și a dispozitivelor medicale, conform invenției, prezintă următoarele avantaje:The biocompatible, mono- and multilayer material for covering implants and medical devices, according to the invention, has the following advantages:

- are aderență ridicată la substrat;- it has high adhesion to the substrate;

- prezintă microduritate ridicată;- has high micro-hardness;

- are rugozitate scăzută;- has low roughness;

- nu modifică tipodimensiunea implanturilor sau a dispozitivelor medicale;- does not change the size of implants or medical devices;

- are proprietăți mecanice și tribologice stabile în timp;- has stable mechanical and tribological properties over time;

- este rezistent la acțiunea agențiilor corozivi care se găsesc în corpul uman;- is resistant to the action of corrosive agencies found in the human body;

- prezintă coeficient de uzură scăzut;- has a low wear coefficient;

- este biocompatibil, neresorbabil.- is biocompatible, non-absorbable.

RO 127024 Β1RO 127024 Β1

Materialul conform invenției este obținut printr-o metodă de tip depunere din fază 1 fizică de vapori (pulverizare magnetron, arc catodic) într-o plasmă reactivă care conține atomi și ioni de titan, zirconiu, niobiu, tantal, hafniu, azot sau carbon, în funcție de natura 3 materialelor depuse. Temperaturile substratului în timpul depunerii sunt cuprinse între 100 și 300°C, ceea ce nu determină modificări structurale sau dimensionale ale acestuia, timpul 5 de depunere fiind cuprins între 90 și 120 min.The material according to the invention is obtained by a physical vapor phase 1 deposition type method (magnetron sputtering, cathode arc) in a reactive plasma containing titanium, zirconium, niobium, tantalum, hafnium, nitrogen or carbon atoms and ions. depending on the nature of the 3 materials submitted. The substrate temperatures during the deposition are between 100 and 300 ° C, which does not cause structural or dimensional changes, the deposition time being between 90 and 120 min.

Invenția este prezentată pe larg în continuare. 7The invention is further described below. 7

Materialul conform invenției poate fi realizat fie monostrat, fie multistrat.The material according to the invention can be made either monolayer or multilayer.

Materialul, în forma tip monostrat, este realizat din compușii: TiZrCN, TiHfCN, 9 TiTaCN, TiNbCN, ZrHfCN, ZrTaCN, ZrNbCN, TaHfCN, TaNbCN și NbHfCN, cu un interval larg de stoichiometrie (0,9<(C+N)/(Me., + Me2)<3), cu un raportai concentrațiilor atomice ale 11 elementelor C/N în strat cuprins între 0,5 și 2, cu o grosime totală a stratului cuprinsă între 1 și 4 pm. 13The material, in monolayer type form, is made of the compounds: TiZrCN, TiHfCN, 9 TiTaCN, TiNbCN, ZrHfCN, ZrTaCN, ZrNbCN, TaHfCN, TaNbCN and NbHfCN, with a wide range of stoichiometry (N + 0.9) (Me., + Me 2 ) <3), with a ratio of the atomic concentrations of 11 C / N elements in the layer between 0.5 and 2, with a total thickness of the layer between 1 and 4 pm. 13

Un exemplu de realizare a unui astfel de material monostrat este cel constituit dintr-un strat de ZrHfCN, cvasistoichiometric ((C + N)/(Zr + Hf) = 0,94), cu un raport al concentrațiilor 15 atomice ale elementelor C/N în strat egal cu 1,8, cu o grosime totală a stratului de 2 pm.An embodiment of such a monolayer material is that of a quasi-stoichiometric ((C + N) / (Zr + Hf) = 0.94) ZrHfCN layer, with a ratio of the atomic concentrations of the C / elements. N in layer equal to 1.8, with a total layer thickness of 2 µm.

Materialul monostrat, în altă variantă, este constituit dintr-un strat de ZrNbCN, supra- 17 stoichiometrie ((C + N)/(Zr + Nb) = 2,9), cu un raport al concentrațiilor atomice ale elementelor C/N în strat egal cu 1,1, cu o grosime totală a stratului de 3,2 pm. 19The monolayer material, in another embodiment, consists of a layer of ZrNbCN, supra-17 stoichiometry ((C + N) / (Zr + Nb) = 2.9), with a ratio of the atomic concentrations of the C / N elements in layer equal to 1.1, with a total layer thickness of 3.2 µm. 19

Materialul tip multistrat, conform invenției, este format din 8...120 straturi individuale alternate de carbonitruri tip (Me1/Me2)CN cu (Me1; Me2) = Ti, Hf, Zr, Ta, Nb, și Me., * Me2, din 21 TiZrCN, TiHfCN, TiTaCN, TiNbCN, ZrHfCN, ZrTaCN, ZrNbCN, TaHfCN, TaNbCN sau NbHfCN, având grosimi de 20...250 nm, raportul grosimilorstraturilor individuale fiind cuprins 23 în intervalul 0,4...2 și cu o grosime totală a multistratului cuprinsă între 1 și 4 pm.The multilayer type material, according to the invention, consists of 8 ... 120 individual layers of alternating carbonitrides (Me 1 / Me 2 ) CN with (Me 1; Me 2 ) = Ti, Hf, Zr, Ta, Nb, and Me ., * Me 2 , of 21 TiZrCN, TiHfCN, TiTaCN, TiNbCN, ZrHfCN, ZrTaCN, ZrNbCN, TaHfCN, TaNbCN or NbHfCN, having thicknesses of 20 ... 250 nm, the ratio of the thicknesses of the individual layers in the range of 0.4. ..2 and with a total thickness of the plywood between 1 and 4 pm.

Un exemplu de realizare a materialului multistrat conform invenției, obținut prin 25 metoda de pulverizare magnetron, este format din 20 de straturi individuale alternate de TiZrCN și TiNbCN, cu o grosimea straturilor individuale de 140 nm, cu un raportai grosimilor 27 straturilor individuale de 1:1 și cu o grosime totală a multistratului de 2,8 pm.An embodiment of the multilayer material according to the invention, obtained by 25 magnetron spraying method, consists of 20 individual layers alternating with TiZrCN and TiNbCN, with a thickness of individual layers of 140 nm, with a ratio of thicknesses of 27 individual layers of 1: 1 and with a total thickness of the plywood of 2.8 pm.

Materialul multistrat, în altă variantă, conform invenției, este obținut prin metoda 29 arcului catodic, și este constituit din 80 de straturi individuale alternate de ZrNbCN și TaHfCN, cu grosimi ale straturilor individuale de 20 și, respectiv, 25 nm, cu un raportai groși- 31 milor straturilor individuale de 0,8:1 și cu o grosime totală a multistratului de 3,6 pm.The multilayer material, in another embodiment, according to the invention, is obtained by the method 29 of the cathode arc, and consists of 80 individual layers alternated by ZrNbCN and TaHfCN, with thicknesses of the individual layers of 20 and 25 nm, respectively, with a thick ratio. - 31 million of the individual layers of 0.8: 1 and with a total thickness of the multilayer of 3.6 pm.

Materialele, sub formă mono- și multistrat, sunt aderente la substrat, forțele normale 33 critice măsurate la testul de aderență prin zgâriere (scratch test) fiind de 30...50 N, și au o microduritate cuprinsă între 18 și 32 GPa. Materialele au o rugozitate medie <10 nm. 35 Materialele prezintă la testul de toxicitate o valoare a factorului de viabilitate celulară în domeniul 90...95%. 37The materials, in mono- and multilayer form, are adherent to the substrate, the normal critical forces 33 measured in the scratch test being 30 ... 50 N, and have a micro-hardness between 18 and 32 GPa. The materials have an average roughness <10 nm. 35 The materials present in the toxicity test a value of the cell viability factor in the range 90 ... 95%. 37

Claims (2)

1 Revendicări1 Claims 3 1. Material de acoperire multistrat din carbonitruri, pentru aplicații biomedicale, realizat pe bază de compuși cuaternari din carbonitruri tip (Me1/Me2)CN cu Me., * Me2, carac5 terizat prin aceea că este compus din 8...120 straturi individuale alternate de carbonitruri tip (Me1/Me2)CN cu (Me1; Me2) = Ti, Hf, Zr, Ta, Nb, având grosimi de 20...250 nm, cu raportul3 1. Carbonitrile multilayer coating material for biomedical applications, based on quaternary carbonitride compounds (Me 1 / Me 2 ) CN with Me., * Me 2 , characterized by being composed of 8. .120 individual alternating layers of carbonitrides (Me 1 / Me 2 ) CN with (Me 1; Me 2 ) = Ti, Hf, Zr, Ta, Nb, having a thickness of 20 ... 250 nm, with the ratio 7 grosimilor individuale de 0,4...2 și cu o grosime totală a multistratului de 1 ...4 pm.7 of the individual thicknesses of 0,4 ... 2 and with a total thickness of the plywood of 1 ... 4 pm. 2. Material de acoperire multistrat, conform revendicării 1, caracterizat prin aceeaMultilayer coating material according to claim 1, characterized in that 9 că prezintă o bună aderență la substrat, corespondentă unei forțe normale critice, măsurată la testul de aderență prin zgâriere, de 30...50 N, și are o microduritate de 18...32 GPa, o9 that shows a good adhesion to the substrate, corresponding to a critical normal force, measured at the scratch adhesion test, of 30 ... 50 N, and has a micro-hardness of 18 ... 32 GPa, a 11 rugozitate medie sub 10 nm și o valoare a factorului de viabilitate celulară la testul de toxicitate de 90...95%.11 average roughness below 10 nm and a cell viability factor value of 90 ... 95% toxicity test.
ROA201000022A 2010-01-14 2010-01-14 Carbonitride thin layer materials for biomedical applications RO127024B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ROA201000022A RO127024B1 (en) 2010-01-14 2010-01-14 Carbonitride thin layer materials for biomedical applications

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ROA201000022A RO127024B1 (en) 2010-01-14 2010-01-14 Carbonitride thin layer materials for biomedical applications

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RO127024A2 RO127024A2 (en) 2012-01-30
RO127024B1 true RO127024B1 (en) 2017-11-29

Family

ID=45509914

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ROA201000022A RO127024B1 (en) 2010-01-14 2010-01-14 Carbonitride thin layer materials for biomedical applications

Country Status (1)

Country Link
RO (1) RO127024B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106310376B (en) 2015-06-30 2020-06-12 先健科技(深圳)有限公司 Implanted medical device prefabricated part, implanted medical device and preparation method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
RO127024A2 (en) 2012-01-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ananthakumar et al. Electrochemical corrosion and materials properties of reactively sputtered TiN/TiAlN multilayer coatings
EP1937873B1 (en) Substrate coated with a layered structure comprising a tetrahedral carbon coating
US7927700B2 (en) Substrate covered with an intermediate coating and a hard carbon coating
Chipatecua et al. Corrosion behaviour of CrN/Cr multilayers on stainless steel deposited by unbalanced magnetron sputtering
Khamseh et al. High-performance hybrid coatings based on diamond-like carbon and copper for carbon steel protection
EP1918422B1 (en) Coated cutting tool
US9869015B2 (en) Hard material layers with selected thermal conductivity
KR102561370B1 (en) High-performance coatings for cold forming of high-strength steel
CN103649363B (en) Method for improving the wear resistance of dyed surgical instruments
Su et al. Tribological properties and microstructure of monolayer and multilayer Ta coatings prepared by magnetron sputtering
Balasubramanian et al. Nanocomposite Ti–Si–N coatings deposited by reactive dc magnetron sputtering for biomedical applications
Wang et al. Tribocorrosion behaviors of TiSiCN nanocomposite coatings deposited by high power impulse magnetron sputtering
Caicedo et al. Determination of the best behavior among AISI D3 steel, 304 stainless steel and CrN/AlN coatings under erosive-corrosive effect
Aouadi et al. The effect of bilayer periods and their thickness in magnetron sputtering protective multilayer coatings for tribological applications
Liu et al. Hard and adherent aC: H gradient coatings by stress engineering
RO127024B1 (en) Carbonitride thin layer materials for biomedical applications
Atta et al. Recent developments and applications of TiN-based films synthesized by magnetron sputtering
Marin et al. Tribological properties of nanometric atomic layer depositions applied on AISI 420 stainless steel
JP7275449B2 (en) Corrosion and erosion resistant coatings for gas turbine turbine blades
Oliveira et al. Prediction of optimized composition for enhanced mechanical and electrochemical response of Zr-CN-Ag coatings for medical devices
Kong et al. Role of atomic layer deposited TiOxNy interlayer in tribological and corrosion properties of CrN coating
Dinu et al. Tribological performance of coatings obtained by PVD techniques: from industrial to biological applications
RO130173A2 (en) Biocompatible materials based on high-entropy alloy carbides, for coating mobile couplings of articular endoprostheses and medical instruments
Subramanian et al. Suitability evaluation of plasma ion beam sputtered TiN/TiOxNy multilayers on steel for bio implants
RO128641A2 (en) Biocompatible multi-layer coatings for orthopaedic implants