Structural investigation and wettability of PVD TiN coated CoCrMo orthopedic alloy

Abstract

Herhangi bir katı yüzeyin sıvı ile temasa geçtiinde ıslanma nitelii olaraktanımlanan ıslanabilirlik, yüksek oranda ıslanabilen yüzeylerin hücre tutunmasının iyiolması gerei dolayısıyla biyomalzemelerin en önemli özelliklerinden biridir. Birbiyomalzeme yüzeyinin ıslanabilirlik karakteristikleri yüzey modifikasyon teknikleri ilegelitirilebilir.Bu çalımada, TiN kaplanmı CoCrMo ortopedik alaım malzemelerininıslanabilirlik karakteristikleri incelendi. CoCrMo alaımları 550 ºC'de 6 saat süre ilePVD kullanarak kaplandı. TiN kaplı tabakanın mikroyapısı, pürüzlülüü, kalınlıı vekompozisyonu XRD, AFM ve SEM ile çalııldı. Islanma çalımaları, kontak açısı veyüzey gerilim ölçümleri test sıvısı olarak saf su ve simule vücut sıvısı kullanılarakyapıldı. Kaplanmı ve kaplanmamı CoCrMo alaımlarının kontak açısı sesil damlametodu ile incelendi ve test sıvılarının yüzey gerilimi deerleri halka metodu ile ölçüldü.SEM analizleri, kolon büyütme ile düzgün TiN kaplanmı tabakalarıgöstermiken; XRD sonuçları, PVD kaplı TiN filmlerinin (111) oryantasyonuna sahipolduunu gösterir. AFM sonuçları, kaplanmamı yüzeylerle kıyaslandıında, TiN kaplıyüzeyler için daha yüksek pürüzlülük deerlerini göstermitir. Deneysel sonuçların TiNkaplanmı örnekler için kontak açısı deerlerinin kaplanmamılardan daha düükolduunu göstermesi, kaplanmı tabakanın daha iyi ıslandıı fikrini oluturuyor.Kontak açısı ve yüzey gerilim deerlerine dayanarak adezyon enerjisi deerlerihesaplandı; ve TiN kaplı tabakaların kaplanmamı CoCrMo alaımı ile kıyaslandıındadaha iyi tutunabilme niteliine sahip olduu bulundu. Kaplanmamı örneklerin düzyüzeyleri ile kıyaslandıında, TiN kaplı örneklerin kontak açılarının düüklüükaplanmı yüzeylerin daha pürüzlü olmasına balandı. Ayrıca, EDX analiz sonuçlarınagöre kaplanmı ve kaplanmamı alaımlar karılatırıldıında, daha iyi ıslanabilirlikkarakteristiklerine sahip TiN kaplı CoCrMo alaımını etkileyen dier bir faktörün deyüzey oksijen içerii olabilecei kanaatine varılmıtır.

Wettability, defined as the ability of any solid surface to be wetted when incontact with a liquid, is one of the most important properties of biomaterials sincehighly wettable surfaces are expected to disclose better adhesion of the cells. Thewettability characteristics of a biomaterial?s surface can be improved by surfacemodification techniques.In this study, wettability characteristics of TiN coated CoCrMo orthopedic alloymaterials were investigated. CoCrMo alloys were coated with TiN using physical vapordeposition (PVD) technique at 550 ºC for 6 h. The TiN coated layer microstructure,roughness, thickness, and composition were studied by X-ray diffraction (XRD), atomicforce microscopy (AFM) and scanning electron microscope (SEM). Wetting studiesinvolved contact angle and surface tension measurements using distilled water andsimulated body fluid (SBF) as test liquids. The contact angles of the coated and uncoatedCoCrMo alloys were investigated by the sessile drop method and the surface tension ofthe test liquids was measured by the ring method.The XRD results show the PVD coated TiN films had (111) preferred orientation,while the SEM analysis indicated quite uniform TiN coated layers (about 3 m thick)with a columnar growth mode. The AFM results indicated much higher roughnessvalues for the TiN coated surfaces compared to the uncoated ones. The experimentalresults show the contact angle values for the TiN coated samples is lower than theuncoated ones suggesting better wetting for the coated layer. Based on the contact angleand the surface tension values, the work of adhesion values were estimated and it wasfound that the TiN coated layers has better adhesion ability compared to the uncoatedCoCrMo alloy. The lower contact angles for the TiN coated samples were attributedmainly to the rougher surfaces associated with the TiN coated surfaces in comparisonwith the relatively smooth surface of the uncoated samples. Also, based on the EDXanalysis results, the surface oxygen content on the coated surface may be another factorcontributing to the better wettability characteristics of the TiN coated CoCrMo alloycompared to the uncoated alloy.