Corrosion resistance evaluation of organic-inorganic hybrid films with potential application in biomaterials
DOI:
https://doi.org/10.33448/rsd-v12i6.42251Keywords:
Titanium; Anodizing; Silver nanocharge; Sol-gel; Corrosion.Abstract
Titanium and its alloys stand out among metallic materials due to their excellent biocompatibility and high specific mechanical properties, which make them perfect candidates for biomedical applications. However, after implanted, the biomaterials remain in contact with the corporeal fluid, which can contribute to wear and corrosion of the two materials, compromising the mechanical and structural integrity of the implant leading to its premature failure. No sense of improvement in the clinical success rate of metallic implants, certain studies in the area of biomaterials suggest the use of protective coatings. Organic-inorganic hybrid coatings have been used in this area with the aim of solving corrosion problems that occur in metallic materials. In this context, the hybrid based on the alkoxide precursor TEOS (tetraethyl orthosilicate) was used to carry out the hydrolysis/acid condensation process, adding the silver nanoparticles and making a mixture with the incorporation of polycaprolactone diol, followed of the addition of hexademethylene diisocyanate, for the formation of polyurethane. The hybrid coatings were applied on titanium plates and morphological characterizations were carried out by MEV (Varredura Electron Microscopy), electrochemical through open circuit potential and electrochemical impedance spectroscopy, in order to evaluate the performance of two coatings and the influence of different concentrations of silver nanoparticles by thermogravimetry, contact angle, adhesion, UV-visibility and distribution of nanoparticles. As results, it was identified that the insertion of silver nanoparticles, in low concentration, in an organic-inorganic hybrid coating made it possible to obtain a coating with satisfactory corrosion resistance for use as biomaterial.
References
Akram, D., Hakami, O., Sharmin, E., & Ahmad, S. (2017). Castor and Linseed oil polyurethane/TEOS hybrids as protective coatings: A synergistic approach utilising plant oil polyols, a sustainable resource. Progress in Organic Coatings, 108, p. 1-14.
Albuquerque, A. V. A. (2017). Desenvolvimento e avaliação antimicrobiana de revestimentos para madeira plástica a base de PDMS com nanopartículas de prata e de óxido de zinco utilizando solution blow spraying (SBSp). 72 f. Dissertação (Mestrado) – Universidade Fereal da Paraíba, Programa de PósGraduação em Ciência e Engenharia de Materiais.
Aquino, I. P. (2006). Caracterização da superfície do aço-carbono ABNT 1008 revestida com organo-silanos por meio de técnicas eletroquímicas e físicoquímicas. 129 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Engenharia Química, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo.
Assis, S. L. (2006). Investigação da resistência à corrosão da liga Ti-13Nb13Zr por meio de técnicas eletroquímicas e de análise de superfície.199 f. Tese (Doutorado) - Curso de Tecnologia Nuclear, Universidade de São Paulo.
Babacan, N., Kochta, F., Hoffmann, V., Gemming, T., Kühn, U., Giebeler, L., Gebert, A., & Hufenbach, J. (2021). Effect of silver additions on the microstructure, mechanical properties and corrosion behavior of biodegradable Fe-30Mn-6Si. Materials Today Communications, 28, 102689.
Bagha, P. S., Khakbiz, M., Sheibani, S., & Hermawan, H. (2018). Design and characterization of nano and bimodal structured biodegradable Fe-Mn-Ag alloy with accelerated corrosion rate. J. Alloy. Compd, 767, 955–965.
Banne, S. V., Patil, M. S., Kulkarni, R. M., & Patil, S. J. (2017). Synthesis and Characterization of Silver Nano Particles for EDM Applications. Materials Today: Proceedings, 4, 12054–12060.
Barranco, V., Escudero, M. L., & García-alonso, M. C. (2011). Influence of the microstructure and topography on the barrier properties of oxide scales generated on blasted Ti6Al4V surfaces. Acta Biomaterialia, 7(6), 2716-2725.
Bossardi, K. (2008). Nanotecnologia aplicada a tratamento superficiais para o aço carbono 1020 como alternativa ao fosfato de zinco. 87 f. Dissertação (Mestrado) – Pós-Graduação em Engenharia de Materiais e Metalúrgica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul.
Cao, Z., Kong, G., Che, C., & Wang, Y. (2017). Influence of Nd addition on the corrosion behavior of Zn-5%Al alloy in 3.5wt.% NaCl solution. Applied Surface Science, 426, 67-76
Capek, J., Stehlíková, K., Michalcová, A., Msallamová, S., & Vojtěch, D. (2016). Microstructure, mechanical and corrosion properties of biodegradable powder metallurgical Fe2wt% X (X = Pd, Ag and C) alloys. Mater. Chem. Phys, 181, 501–511.
Certhoux, E., Ansart, F., Turq, V., Bonino, J. P., Sobrino, J. M., Garcia, J., & Reby, J. (2013). New sol-gel formulations to increase the barrier effect of a protective coating against the corrosion of steels. Progress in Organic Coatings,76, 165- 172.
Chen, J., Wang, J., & Yuan, H. (2013). Morphology and performances of the anodic oxide films on Ti6Al4V alloy formed in alkaline-silicate electrolyte with aminopropyl silane addition under low potential. Applied Surface Science, 284, 900–906.
Estrela, C. (2018). Metodologia científica: Ciência, Ensino e Pesquisa. 3ª Edição, Editora: Artes Médicas, Universidade Federal de Goiás (FO/UFG) – Goiás, 738p.
Fathima, R., & Mujeeb, A. (2020). Tailoring thermo-optical properties of eosin B dye using surfactant-free gold-silver alloy nanoparticles. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 228, 117713.
Fernandes, M., Kunst, S. R., Morisso, F. D. P., Carús, L. A., Ziulkoski, A. L., & Oliveira, C. T. (2022). Inserção de nanocargas de prata em superfície de titânio anodizado. Research, Society and Development, 11, e13711729690.
Flis, J., & Kanoza, M. (2006). Electrochemical and surface analytical study of vinyltriethoxy silane films on iron after exposure to air. Electrochimica Acta, 51(11), 2338- 2345.
Francisco, J. S. (2013). Avaliação do Pré Tratamento a base de sulfossiloxano sobre aço galvannealed combinado com tintas anticorrosivas.106 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Engenharia Química, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo.
Gama, R. O. (2014). Controle do comportamento hidrofílico/hidrofóbico de polímeros naturais biodegradáveis através da decoração de superfícies com
nano e microcomponentes. 110 f. Tese (Doutorado) - Curso de Engenharia Metalúrgica, Materiais e de Minas, Universidade Federal de Minas Gerais.
Garcia, M. V. D. (2011). Síntese, caracterização e estabilização de nanopartículas de prata para aplicações bactericidas em têxteis. 2011. 89 f. Dissertação (Mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química.
Geetha, M., Singh A. K., Asokamani, R., & Gogia, A. K. (2009). Ti based biomaterials, the ultimate choice for orthopaedic implants – A review. Progress in Materials Science, 54, 397–425.
Kahnouju, Y. A., Mosaddegh, E., & Bolorizadeh, M. A. (2019). Detailed analysis of size-separation of silver nanoparticles by density gradient centrifugation method. Materials Science & Engineering, 103, 109817.
Kokubo, T., & Takadama, H. (2006). How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity? Biomaterials, 27, 2907–2915.
Kunst, S. R. (2015) Filmes híbridos modificados com agentes flexibilizantes para o uso como revestimento barreira e com pré-tratamento de folha de flandres para aplicação de tinta UV. 173 f. Tese (Doutorado) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais.
Kunst, S. R., Cerveira, D. O., Ferreira, J. Z., Graef, T. F., Santana, J. A., Carone, C. L. P., Morisso, F. D. P., & Oliveira, C. T. (2021). Influence of simulated body fluid (normal and inflammatory) on corrosion resistance of anodized titanium. Research, society and development, 10, e122101018606.
Madkour, M., Bumajdad, A., & Al-sagheer, F. (2019). To what extent do polymeric stabilizers affect nanoparticles characteristics? Advances in Colloid and Interface Science, 270, 38-53.
Marino, C. E. B., & Mascaro, L. H. (2004). EIS characterization of a Ti-dental implant in artificial saliva media: dissolution process of the oxide barrier. Journal of Electroanalytical Chemistry, 568, 115–120.
Melo Jr, M. A., Santos, L. S. S., Gonçalves, M. C., & Nogueira A. F. (2012). Preparação de nanopartículas de prata e ouro: um método simples para a introdução da nanociência em laboratório de ensino. Química Nova, 35(9), 1872-1878.
Mohammadloo, H. E., Sarabi, A. A., Alvani, A. A. S., Sameie, H., & Salimi, R. (2012). Nano-ceramic hexafluorozirconic acid based conversion thin film: surface characterization and electrochemical study. Surface And Coatings Technology, 206(19), 4132-4139.
Mota, E. N. (2014). Desenvolvimento de sistema ligante para processamente de alumina por injeção a partir de polímeros de fontes renováveis. 2014. 89 f. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais.
Nasiriardali, M., Boroujeny, B. S., Doostmohammadi, A., Nazari, H., & Akbari, E. (2022). Improvement of biological and corrosion behavior of 316 L stainless steel using PDMS-Ag doped Willemite nanocomposite coating. Progress in Organic Coating, 165, 106733.
Neto, F. N. S. (2016). Efeito da inserção de nanopartículas sintéticas preparadas por rota coloidal em matriz acrílica comercial de uso odontológico. 118 f. Tese (Doutorado) – Universidade Federal de São Carlos, Programa de PósGraduação em Química.
Neves, J. C., Mohallem, N. D. S., & Viana, M. M. (2021). Materiais Autolimpantes: Conceitos, Propriedades e Aplicações. Rev. Virtual de Química, 13(2), no prelo.
Nguyenova, H. Y., Vokata, B., Zaruba, K., Siegel, J., Kolska, Z., Svorcik, V., Slepicka, P., & Reznickova, A. (2019). Silver nanoparticles grafted onto PET: Effect of preparation method on antibacterial activity. Reactive and Functional Polymers, 145, 104376.
Pacheco, L. G. (2007). Análise de viabilidade de implantação da técnica de espectroscopia de impedância eletroquímica para controle de processos de tratamento de superfície no setor aeroespacial. USP.
Panicker, S., Ahmady, I. M., Han, C., Chehimi, M., & Mohamed, A. A. (2020). On demand release of ionic silver from gold-silver alloy nanoparticles: fundamental antibacterial mechanisms study. Materials Today Chemistry, 16, 100237.
Pereira, A. S., Shitsuka, D. M., Parreira, F. J., & Shitsuka, R. (2018). Metodologia da pesquisa científica. UFSM, Universidade Federal de Santa Maria – RS, 119p.
Ribeiro, D. V., Souza, C. A. C., & Abrantes, J. C. C. (2015). Uso da espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE) para monitoramento da corrosão em concreto armado. Revista IBRACON de Estruturas e Materiais, [S. l.], 8(4), p. 529– 549.
Severino, A. J. (2013). Metodologia do trabalho científico. (3a ed.) Cortez Editora, 274p.
Passos, A. A., Tavares, M. I. B., Moreira, L. A., & Ferreira, A. G. (2011). Obtenção de nanocompósito de EVA/Sílica e caracterização por Ressonância Magnética Nuclear no Estado Sólido. Polímeros, 21(2), 98-102.
Pavoski, Giovani. (2019). Nanocompósitos de polietileno/sílica com prata para aplicações antibacterianas. 114f. Tese (Doutorado) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais.
Sambrano, J. R., Albuquerque, A. R., & Santos, I. M. G. (2014). Structural and electronic properties of anatase TiO2 thin films: periodic B3LYP-D* calculations in 2D systems. Química Nova, 37(8) 1318-1323.
Salvador, D. G., Marcolin, P., Beltrami, L. V. R., Brandalise, S. R., & Kunst, S. R. (2018). Development of Alkoxide Precursors-Based Hybrid Coatings on Ti-6Al- 4V Alloy for Biomedical Applications: Influence of pH of Sol. J. of Materi Eng and Perform, 27, p. 2863–2874.
Saurabh, A., Meghana, C. M., Singh, P. K., & Verma, P. C. (2022). Titanium-based materials: synthesis, properties, and applications. Materials Today: Proceedings, 56 (1), p. 412-419.
Shibata, Y.; & Tanimoto, Y. (2015). A review of improved fixation methods for dental implants. Part I: Surface optimization for rapid osseointegration. Journal of Prosthodontic Research, 59, 20-33.
Silva, M. A. M. (2014). Caracterização de superfícies de titânio modificado por oxidação à plasma. 2014. 65 f. Tese (Doutorado) - Curso de Ciências da Saúde, Universidade Federal do Rio Grande do Norte.
Souza, J. C. M., Barbosa, S. L., Ariza, E. A., Henriques, M., Teughels, W., Ponthiaux, P., Celis, P. A., & Rocha, L. A. (2015). How do titanium and Ti6Al4V corrode in fluoridated medium as found in the oral cavity? An in vitro study. Materials Science and Engineering, 47, 384-393.
Van Ooij, W. J. Zhu, D., Stacy, M., Seth, A., Mugada, T., Gandhi, J., Puomi, P. (2005). Corrosion protection properties of organofunctional silanes - An overview. Tsinghua Science And Technology, 10(6), 639-664.
Wang, X., Wu, L., & Li, J. (2011). Preparation of nano poly(phenylsilsesquioxane) spheres and the influence of nano-PPSQ on the thermal stability of poly(methyl methacrylate). Advances in Polymer Technology, 20(1), p. 33-40.
Zeraik, A. N., & Nitschke, M. (2010). Biosurfactants as Agents to Reduce Adhesion of Pathogenic Bacteria to Polystyrene Surfaces: Effect of Temperature and Hydrophobicity. Current Microbiology, 61, p. 554-559.
Zheng, S., & Li, J. (2010). Inorganic-organic sol gel hybrid coatings for corrosion protection of metals. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 54(2), p. 174- 187.
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