Revestimentos antimicrobianos de SiO2 + Cu produzidos por processo híbrido (PVD + PACVD) assistidos por plasma DC para aplicação em superfícies de AISI 316L

Abstract

A recente pandemia da COVID-19 despertou a atenção da comunidade científica mundial para a necessidade de se descobrir meios que minimizem a nossa vulnerabilidade à transmissão de doenças por microorganismos, prevenindo assim crises similares no futuro. Neste cenário, o desenvolvimento de superfícies com capacidade antimicrobiana ganha destaque como forma de combate à transmissão indireta de vírus e bactérias nocivos à saúde humana. Estudos atuais mostram que, apesar da comprovada eficiência dos mecanismos de toxicidade até então avaliados, ainda há lacunas relevantes a serem preenchidas, especialmente, no que diz respeito à durabilidade da ação microbicida e à resistência dos revestimentos produzidos. Diante disso, o presente trabalho propõe o emprego da técnica de deposição híbrida de filmes finos (Physical Vapour Deposition - Magnetron Sputtering e Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition) compostos por SiO2 + Cu, para a produção de revestimentos com ação antimicrobiana sobre substrato de aço inoxidável austenítico (AISI 316L). Para tanto, um reator de plasma DC com dispositivo de pulverização catódica foi projetado, construído e testado. Em seguida, foram executados experimentos de deposição híbrida com variação dos parâmetros de tensão no alvo (-500V e -600V), tensão no porta amostra (-100V, -200V, -300V) e ciclo do precursor de silício (1/8, 1/4 e 1/2). O objetivo foi investigar a influência de diferentes parâmetros de plasma sobre as propriedades dos revestimentos, preservando a capacidade antimicrobiana. Quanto aos parâmetros fixos, as amostras foram submetidas a uma atmosfera gasosa de 80% de Argônio (fluxo de 24,0 sccm), 19,3% de Hidrogênio (fluxo de 5,8 sccm), e 0,7% de precursor de silício (fluxo de 0,2 sccm), com tempo de deposição híbrida de 1 h, pressão de 0,3 Torr e T = 70 ?C. Então, os filmes foram caracterizados quanto à composição química, espessura, topografia, microestrutura e fases cristalinas, a fim de identificar correlação das características físico-químicas/propriedades do filme com os parâmetros de processo. Constatou-se que as limitações do sistema influenciaram na taxa de deposição e eficiência de sputtering. Dentre as variações de tensão do alvo (VA), tensão do porta amostra (VPA) e ciclo de HMDSO (tVA/tC), os parâmetros que produziram os filmes com características mais promissoras foram VA = -600V, VPA = -200V, tVA/tC =1/4 e tVA/tC = 1/2. Estes revestimentos apresentaram significativa quantidade de cobre metálico (ou óxido de cobre), na forma de partículas esféricas de diâmetro submicrométrico e homogeneamente distribuídas, além de boa qualidade de adesão. O cobre presente no filme tem a finalidade de manter a capacidade microbicida. No entanto, testes antimicrobianos ainda precisam ser realizados para comprovar a ação requerida.

Abstract: The COVID-19 pandemic has mobilized the world scientific community to find mechanisms to mitigate the human vulnerability to the transmission of diseases by infectious microbes, thus preventing similar global health emergencies in the future. In this scenario, the development of surfaces with antimicrobial properties is widely examined to avoid the fomite mode of transmission of infectious viruses and bacteria. Current studies have shown that, despite the proven efficiency of the approaches assessed, there are still relevant problems to be solved, especially with regard to the durability of the microbicide action and the wear resistance of the produced coatings. Therefore, this work proposes the use of the hybrid deposition technique (PVD-MS and PACVD) to produce an antimicrobial thin film of SiO2 + Cu on an austenitic stainless-steel surface (AISI 316L). For this purpose, a Direct Current Plasma reactor with magnetron sputtering device was designed, constructed, and tested. Then, hybrid deposition experiments were performed with variation of the target voltage parameters (-500V and -600V), sample holder voltage (-100V, -200V, 300V) and silicon precursor cycle (1/8, 1/4 and 1/2). The objective was to investigate the effect of different plasma parameters on the physicochemical properties of the coatings, while sustaining the potential antimicrobial attribute. Concerning the fixed parameters, the plasma atmosphere was 80% Argon (24.0 sccm flow), 19.3% Hydrogen (5.8 sccm flow), and 0.7% precursor of silicon (flow rate of 0.2 sccm), the hybrid deposition has been performed for 1 h, with pressure of 0.3 Torr and T = 70 °C. Then, the films were characterized in terms of chemical composition, thickness, topography, microstructure, and crystalline phases, in order to associate the physicochemical characteristics to deposition parameters. As a result, it was found that system limitations restricted the deposition rate and sputtering efficiency. Regarding the variations of target voltage (VA), sample holder voltage (VPA) and HMDSO cycle (tVA/tC), the parameters that produced the most promising films were VA = -600V, VPA = -200V, tVA/tC = 1/4 and tVA/tC = 1/2. These coatings are composed of a significant amount of metallic copper (or copper oxide), spherical particles with sub-micrometer diameters and homogeneously distributed. In addition, they presented good adhesion quality. Nonetheless, antimicrobial tests still need to be performed to comply with the required log reduction of living microbes.