Development of piezoelectric coatings on metal substrates for biomedical applications - The effect of substrate surface texturing on coating properties

Abstract

Formålet med denne mastergradsavhandlinga var å undersøke korleis overflateteksturen til Ti6Al4V-substrat påverkar eigenskapane til spinnbelagte, piezoelektiske tynnfilmar av BaTiO3. Dette er viktig frå eit biomedisinsk synspunkt, der desse belegga kan nyttast til å forbetre dei eksisterande beinimplantata som til dømes er nytta i hofter. I dag er desse implantatmateriala ofte basert på metall som rustfrie stål og titanlegeringar. Desse metalla har god mekanisk kompatiblitet med kroppen, og er også inerte, med gode korrosjons- og slitasjeeigenskapar, noko som er viktig for biomedisinsk bruk. Trass i dette, er ikkje dei nytta metalla bioaktive, og kan dermed ikkje skape gunstige interaksjonar mellom implantatet og beinvevet i kroppen. Ein konsekvens av dette er at festet mellom implantatet og beinet vert svakare enn det bør vere, og levetida til implantatet vert såleis kortare enn ønskt.

Denne avhandlinga kombinerer to moglege metodar som kan forbetre dette festet, nemleg piezoelektriske belegg og teksturerte substrat. Dersom eit metallimplantat vert belagt med eit piezoelektrisk material, vil elektriske ladningar opparbeide seg på implantatoverflata under belasting. Desse ladningane vil interagere med celler og vev i nærleiken av overflata, og oppmuntre beinceller til å feste seg til implantatet og vekse. På denne måten kan dei mekaniske eigenskapane til metallet kombinerast med dei funksjonelle eigenskapane til det piezoelektriske belegget, og samtidig forbetre festet mellom bein og implantat. Dersom i tillegg implantatoverflata er teksturert, vil det nye beinet kunne vekse inn i ujamnskapane på overflata, og på denne måten vil det vere vanskelegare å løyse beinet frå implantatet. Ei slik teksturering vil også påverke celler til å binde seg til implantata og gi eit betre feste, då det er kjent at celler heller ønsker å binde seg til rue overflater samanlikna med glatte. Dermed, viss eit piezoelektrisk belegg kan påførast eit implantat med overflatetekstur, der teksturen er intakt sjølv etter belegging, vil festet mellom bein og implantat, og dermed også kvaliteten og levetida til implantatet, forbetrast.

I denne mastergradsavhandlinga vart vassbasert kjemisk løysningsavsetting og spinnbelegging brukt til å avsette tynnfilmar av BaTiO3 på Ti6Al4V-substrat. Då celler bind seg ulikt til ulike strukturar på ulike lengdeskalaar, vart laser-mønstra substrat med store variasjonar i overflatetekstur, frå laser-induserte periodiske overflateteksturar (LIPSS) på nanoskala til makroskopiske rutenettmønster, belagt og undersøkt. Innleiande undersøkingar av polerte substrat vart gjennomført for å optimere temperaturbehandlinga av belegglaga, og det vart funne at varmebehandling av kvart belegglag ved ein maksimumstemperatur på 700 ˚C i luft resulterte i dei beste beleggeigenskapane. Røntgendiffraksjon med låg innfallsvinkel (GI-XRD) vart gjennomført på dei teksturerte prøvene, og viste at både BaTiO3- og rutilfasar vart danna i løpet av varmebehandlinga. Dette vart stadfesta ved undersøking av elektronmikroskopbilete tatt av tverrsnitt laga ved bruk av ein fokusert elektronstråle (FIB). Dei same bileta viste at adhesjonen mellom belegget og overflata var god, men at denne kunne bli svekka av det porøse området ved grensesjiktet mellom oksidlaget og substratet. Vidare avslørte elektronmikroskopbilete av prøveoverflatene ein mikrostruktur som var svært avhengig av beleggtjukkleiken, som i sin tur var avhengig av overflateteksturen. Til slutt indikerte dielektriske målingar av prøvene at belegga var dielektriske, men ikkje ferroelektriske, då belegglaget bestod av svært små krystallittar.

Det eksperimentelle arbeidet var vellykka i å produsere belegg med god adhesjon, og som bevarte overflatetekstureringa til substratet, men meir detaljerte undersøkingar må utførast for å forstå kjemien og interaksjonane ved grensesjiktet mellom belegg og substrat.

The aim of this Master's thesis was to investigate how the surface texturing of Ti6Al4V substrates affected the properties of spin-coated piezoelectric BaTiO3 thin films. This is important from a biomedical point of view, where these coatings can be used to improve the existing bone replacement materials used in for example hip implants. Today, the most commonly used implant materials are based on metals such as stainless steels and titanium alloys. These metals have good mechanical compatibility with the body, and are also inert, with good corrosion and wear properties, which is crucial for their biomedical applications. Despite this, these materials are not bioactive, and are thus unable to cause beneficial interactions between the implant and the body tissue. As a consequence of this, the fixation between the implant and the host bone is not as strong as it should be, resulting in an implant lifetime that is shorter than desired.

This thesis work combines two possible methods that can improve this fixation, namely piezoelectric coatings and textured substrates. Firstly, when coating the metal implants with a piezoelectric material, electrical charges will develop on the implant surface when exposed to a pressure. Such charges are known to interact with the surrounding tissue, encouraging amongst other things bone cell adhesion and growth. In that way, the mechanical properties of the metal can be combined with the functional properties of the piezoelectric coating, while at the same time improving the bone fixation. Secondly, if the implant surface is textured, the bone will be able to grow into these rough features on the surface. This results in a mechanical interlocking between bone and implant, which in turn improves bone fixation. Additionally, it is known that cells prefer to attach to rough features compared to smooth surfaces, providing another method for improved fixation. Thus, if a piezoelectric coating can be applied to a textured metal implant, where the texture is retained even after coating, the bone fixation, and thereby also the quality and lifetime of the implant, can be improved.

In this Master's thesis, aqueous chemical solution deposition and spin-coating was used to deposit BaTiO3 thin films on Ti6Al4V substrates. As cells are known to adhere differently to different structures on different length scales, laser-patterned substrates with a large variation in surface texture, ranging from nanosized laser-induced periodic surface structures (LIPSS) to macroscale grid-patterns, were coated and investigated. Preliminary investigations of polished substrates were made to optimize the temperature treatment of the coating layers, and it was found that heating of each ceramic layer to a maximum temperature of 700 ˚C in air resulted in the best coating properties. Grazing incidence X-ray diffraction was carried out on the samples, and revealed both a BaTiO3 phase and a rutile phase, which was confirmed upon investigation of electron microscopy images of cross-sections made by a focused ion beam. The same images revealed a good coating adhesion, which might be weakened by the presence of a highly porous oxide-substrate interface region. Additionally, electron microscopy images of the sample surfaces revealed a highly thickness-dependent microstructure, in which the surface texture of the substrates played a crucial role. Finally, dielectric measurements of the samples indicated that the coatings were dielectric, but not ferroelectric, explained by the small crystallite size of the coating layer.

The experimental work was successful in producing coatings with good adhesion that retained the surface texture of the substrate, but more investigations must be done to understand the chemistry and interactions at the coating-substrate interface.