Materiale şi acoperiri nanostructurate inovative cu activitate antimicrobiană pentru aplicaţii medicale - INMATCO Cod proiect: PN-II-PT-PCCA-2013-4-1292 Contract Nr. 215 / 01.07.2014 Finanţare: bugetul de stat Denumirea Programului din PN II: PARTENERIATE ÎN DOMENII PRIORITARE Domeniul prioritar de cercetare: 7 - Materiale, procese şi produse inovative/7.1 - Materiale avansate Aria tematică: 7.1.6 - Materiale avansate şi biomateriale pentru creşterea calităţii sănătăţii Tipul proiectului: Proiecte Colaborative de Cercetare Aplicativă (PCCA) Valoarea totală a contractului: 1.437.500 lei din care pe surse de finanţare: Sursa 1 – de la bugetul de stat: 1.250.000 lei Sursa 2 – din alte surse atrase (cofinanţare proprie): 187.500 lei Durata contractului: 39 luni (01.07.2014 - 30.09.2017) Autoritatea Contractantă: Unitatea Executivă pentru Finanţarea Învăţământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării şi Inovării (UEFISCDI) Contractor: Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Inginerie Electrică ICPE-CA Bucureşti (INCDIE ICPE-CA) Partener P1: UNIVERSITATEA BUCUREŞTI, Facultatea de Biologie Partener P2: MGM STAR CONSTRUCT S.R.L. Bucureşti Rezumat: Echipele de cercetare : Obiectivele proiectului : Etapele proiectului : Rezultate preconizate : Rapoarte de etapă : Date de contact : Etapa I Etapa II Etapa III Etapa IV
Transcript
Materiale şi acoperiri nanostructurate inovative cu activitate antimicrobiană pentru aplicaţii medicale - INMATCO
Cod proiect: PN-II-PT-PCCA-2013-4-1292 Contract Nr. 215 / 01.07.2014 Finanţare: bugetul de stat Denumirea Programului din PN II: PARTENERIATE ÎN DOMENII PRIORITARE Domeniul prioritar de cercetare: 7 - Materiale, procese şi produse inovative/7.1 - Materiale avansate Aria tematică: 7.1.6 - Materiale avansate şi biomateriale pentru creşterea calităţii sănătăţii Tipul proiectului: Proiecte Colaborative de Cercetare Aplicativă (PCCA) Valoarea totală a contractului: 1.437.500 lei
din care pe surse de finanţare: Sursa 1 – de la bugetul de stat: 1.250.000 lei
Sursa 2 – din alte surse atrase (cofinanţare proprie): 187.500 lei Durata contractului: 39 luni (01.07.2014 - 30.09.2017) Autoritatea Contractantă: Unitatea Executivă pentru Finanţarea Învăţământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării şi Inovării (UEFISCDI) Contractor: Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Inginerie Electrică ICPE-CA Bucureşti (INCDIE ICPE-CA) Partener P1: UNIVERSITATEA BUCUREŞTI, Facultatea de Biologie Partener P2: MGM STAR CONSTRUCT S.R.L. Bucureşti Rezumat: Echipele de cercetare: Obiectivele proiectului: Etapele proiectului: Rezultate preconizate: Rapoarte de etapă: Date de contact: Etapa I Etapa II Etapa III Etapa IV
Rezumat: Proiectul își propune să dezvolte produse și cunoștințe noi în materialele și acoperirile
nanostructurate antimicrobiene pentru aplicații medicale, cum ar fi instrumentele chirurgicale critice (bisturie, cuțite, pense și foarfece) pentru a reduce infecţiile chirurgicale locale superficiale și profunde și de a îmbunătăți calitatea vieții. Pentru obținerea și depunerea agenților bioactivi de tip MeNP/MeONP (MeNP = Ag, MeONP = TiO2, ZnO) se vor folosi metode ecologice și eficiente de procesare. Scopul agenţilor antimicrobieni propuși este de a inhiba aderența microorganismelor pe suporturi de oțel inox, care nu prezintă proprietăți antibacteriene. Materialele și acoperirile nanostructurate vor fi obţinute prin diferite metode fizice de depunere în vid (evaporarea termică, EBPVD - depunerea fizică de vapori cu fascicul de electroni, pulverizarea cu magnetron în curent continuu (DC) şi în radiofrecvenţă (RF), Arc-PVD - depunerea cu arc catodic sau prin metode chimice de depunere din soluții (metoda sol-gel) pe substraturile de oțel inox selectate, cu o aderență bună, fără modificarea proprietăților inițiale ale substratului.
Proiectul se adresează tematicii prioritare a programului PARTENERIATE PN-II-PT-PCCA-2013-4, Domeniul 7. “Materiale, procese şi produse inovative“, Domeniul de cercetare 7.1 “Materiale avansate“, Aria tematică 7.1.6 “Materiale avansate şi biomateriale pentru creşterea calităţii sănătăţii“, cu un impact direct în Domeniul 4. “Sănătate“ și în Spaţiul European de Cercetare (ERA) - Nanomateriale.
Proiectul este dezvoltat în parteneriat între două organizații de cercetare: un institut național - INCDIE ICPE-CA, care este coordonatorul proiectului (CO) și o universitate - UNIVERSITATEA BUCUREŞTI, care este Partenerul 1 (P1) și un IMM - SC MGM STAR CONSTRUCT SRL, care este partenerul 2 (P2). Proiectul are caracter interdisciplinar, multidisciplinar și transdisciplinar fiind realizat de către specialiști de înaltă calificare cu expertiză complementară. CO este responsabil cu sinteza chimică a materialelor nanostructurate antimicrobiene, realizarea ţintelor de pulverizare şi caracterizarea produselor din punct de vedere al caracteristicilor fizice, chimice, electrochimice, mecanice şi tribologice. P1 este responsabil cu efectuarea caracterizării biologice a nanomaterialelor dezvoltate prin efectuarea studiilor şi testelor de citotoxicitate şi genotoxicitate pentru evaluarea biocompatibilităţii, a activităţii antimicrobiene şi antibiofilm a materialelor şi acoperirilor nanostructurate. P2 este responsabil cu obţinerea acoperirilor nanostructurate pe substrat de oţel inox prin metodele fizice de depunere în vid menţionate mai sus.
În urma activităţilor de dezvoltare experimentală vor fi obținute prototipuri certificate și produse finite de instrumente chirurgicale critice din oțel inox acoperite uniform și omogen, sub formă de mono/multistrat de materiale nanostructurate MeNP/MeONP antimicrobiene cu grosimea inclusă în intervalul 100 nm și 2 μm. Acoperirile preconizate vor avea rezistență ridicată la uzură mecanică, rezistenţă la stres termic, duritate mare, coeficient mic de frecare și aderență bună la substrat. Noile produse vor fi introduse pe piațǎ dupǎ ce vor fi avizate de către Ministerul Sănătății din România. Produsele finite acoperite vor fi la un cost competitiv cu cele neacoperite, contribuind la solicitările mediului socio-economic la nivel mondial și național în domeniul materialelor avansate și al sănătății, cu un impact major în reducerea infecţiilor chirurgicale locale.
Protecția cunoștințelor se va face prin cereri de brevete naționale înregistrate la OSIM. Diseminarea rezultatelor se va face pe scară largă prin publicarea de lucrări științifice în
jurnale cotate ISI, participarea la evenimente naționale și internaționale, crearea și actualizarea site-ului web al proiectului și elaborarea de materiale de diseminare. Echipele de cercetare:
Coordonator CO - INCDIE ICPE-CA Bucureşti 1) Lungu Magdalena-Valentina, Dr. Ing., CS I, Director de proiect 2) Enescu Elena, Dr. Ing., CS I, Persoană cheie 3) Pătroi Eros, Dr. Ing., CS I, Persoană cheie 4) Pătroi Delia, Dr. Fiz., CS II, Persoană cheie 5) Ion Ioana, Dr. Ing., CS III, Persoană cheie 6) Iordoc Mihai, Dr. Ing., CS III, Persoană cheie
7) Lucaci Mariana, Dr. Ing., CS I, Participant 8) Tsakiris Violeta, Dr. Ing., CS I, Participant 9) Bara Adela, Dr. Ing., IDT I, Participant 10) Leonat Lucia, Dr. Fiz., CS II, Participant 11) Marin Mihai, Drd. Ing., ACS, Participant 12) Grigore Florentina, Drd. Ing. Chim, IDT III, Participant 13) Mitrea Sorina, Ing., IDT I, Participant 14) Marinescu Virgil, Drd. Fiz, CS, Participant 15) Sbarcea Gabriela, Dr. Fiz., CS III, Participant 16) Cîrstea Diana, Dr. Fiz., CS, Participant 17) Brătulescu Alexandra, Ing. Chim., CS, Participant 18) Barbu Paula, Dr. Ing. Chim., CS III, Participant 19) Tălpeanu Dorinel, Dr. Ing., CS III, Participant 20) Radu Lacramioara Elena, Drd. Ing., ACS, Participant 21) Iordache Iulian, Drd. Ing. Fiz., IDT I, Participant 22) Teişanu Aristofan, Drd. Chim., CS III, Participant 23) Stancu Nicolae, Ing., IDT I, Participant 24) Caramitu Alina, Dr. Ing., IDT I, Participant 25) Chiţanu Elena, Dr. Ing., CS, Participant 26) Manta Eugen, Dr. Ing. Chim., CS III, Participant 27) Morari Cristian, Drd. Fiz., CS, Participant 28) Dobrin Silvia, Ec., Participant 29) Hajdu Carmen, Sing., Participant 30) Vlad Dorina, Tehn., Participant 31) Zoicaş Doina, Tehn., Participant 32) Matei Valeria, Tehn., Participant 33) Vicol Nicolae, Munc., Participant 34) Velea Constantin, Munc., Participant 35) Voicu Constantin, Munc., Participant Partener P1 - UNIVERSITATEA BUCUREŞTI, Facultatea de Biologie 1) Chifiriuc Mariana-Carmen, Prof. Dr., CS I, Responsabil de proiect 2) Mihăescu Grigore, Prof. Dr., CS I, Persoană cheie 3) Bleotu Coralia, Dr., CS II, Persoană cheie 4) Măruţescu Luminiţa Gabriela, Dr., Participant 5) Diţu Lia Mara, Dr., Participant 6) Stoica Maria, Participant 7) Gheorghe Irina, Drd., Participant 8) Barbu (Czobor) Ilda, Drd., Participant 9) Sârbu Ecaterina Monica, Participant 10) Curuţiu Carmen, Dr., Participant 11) Popa Marcela, Dr., Participant 12) Constantin Nicoleta, Participant Partener P2 - MGM STAR CONSTRUCT S.R.L. Bucureşti: 1) Sobetkii Arcadie, Drd. Fiz., CSIII, Responsabil de proiect 2) Căpăţînă Valentina, Fiz., CS III, Persoană cheie 3) Sobetkii A. Arcadii, Drd. Ing., CS, Persoană cheie 4) Vişan Mihai, Director General, Participant 5) Gritcu Corneliu, Ing., Participant 6) Stanciu Badea, Ing., Participant 7) Mărăcine Anişoara, Tehn. Proiectant, Participant
Obiectivul principal al proiectului constă în cercetarea, dezvoltarea şi implementarea în producție a unor materiale şi acoperiri nanostructurate inovative cu activitate antimicrobiană pentru funcţionalizarea biocidă a unor instrumente chirurgicale critice în vederea reducerii infecțiilor chirurgicale locale şi îmbunătăţirii calităţii vieţii. Pentru a atinge obiectivul principal sunt necesare a fi realizate următoarele obiective tehnico-științifice derivate: - Efectuarea unui studiu documentar privind evaluarea metodelor de obținere a materialelor
nanostructurate şi a tehnicilor de depunere pentru dezvoltarea acoperirilor nanostructurate. - Proiectarea şi executarea unor modele funcționale (MF) de matrițe de grafit pentru obținerea
țintelor de pulverizare prin procedeul de sinterizare în plasmă de scânteie (SPS). - Achiziționarea logisticii de bază necesare pentru realizarea obiectivelor proiectului în timp util. - Realizarea şi caracterizarea modelelor experimentale (ME) de materiale nanostructurate, ţinte de
pulverizare şi de acoperiri nanostructurate din punct de vedere al caracteristicilor fizice, chimice, electrochimice, structurale, mecanice, tribologice şi de adeziune, comparativ cu substratul metalic.
- Evaluarea proprietăților critice ale acoperirii, cum ar fi stabilitatea, uniformitatea şi aderenţa filmului, coeficientul de frecare, rezistența la uzură şi rugozitatea pentru determinarea celor mai bune caracteristici ale materialelor nanostructurate; Selectarea materialelor şi acoperirilor nanostructurate optime; Demonstrarea funcționalității acoperirilor nanostructurate selectate.
- Efectuarea unor studii de citotoxicitate şi genotoxicitate şi elaborarea rapoartelor biologice pentru materialele şi acoperirile nanostructurate testate; Efectuarea screening-ului calitativ şi analiza cantitativă a proprietăților antimicrobiene ale materialelor şi acoperirilor testate; Realizarea unui model experimental pentru studiul in vitro privind dezvoltarea biofilmelor pe substrat inert şi evaluarea influenței materialelor testate asupra creşterii celulelelor planctonice şi dezvoltării biofilmelor; Selectarea materialelor şi acoperirilor nanostructurate cu cele mai bune proprietăţi antimicrobiene pentru aplicaţii medicale, cum ar fi instrumentele chirurgicale critice.
- Realizarea şi caracterizarea prototipurilor de materiale nanostructurate, ţinte de pulverizare şi de acoperiri nanostructurate; Certificarea prototipurilor şi elaborarea documentaţiilor tehnice necesare în vederea introducerii pe piață a noilor produse de către utilizatorul final; Realizarea unor produse finite cu acoperiri nanostructurate.
- Diseminarea rezultatelor proiectului pe scară largă, pe parcursul şi după finalizarea proiectului, în conformitate cu normativele în vigoare, prin elaborarea, comunicarea şi publicarea de lucrări în jurnale cotate ISI; Creşterea vizibilității cercetării aplicative la nivel național şi internațional prin promovarea noilor produse la diferite evenimente tehnico-științifice; Consolidarea cunoștințelor științifice în domeniul materialelor şi acoperirilor nanostructurate; Configurarea şi actualizarea site-ului web al proiectului ca un sistem de informare accesibil pe internet care alcătuieşte platforma de comunicare şi diseminare pentru partenerii proiectui, cercetătorii interesați şi publicul larg.
- Protejarea drepturilor de proprietate industrială în conformitate cu normativele în vigoare, prin elaborarea şi depunerea de cereri de brevet la Oficiul de Stat pentru Invenții şi Mărci (OSIM).
Etapele proiectului:
Etapa I - Cercetare industrială: studiu documentar privind evaluarea tehnico-ştiințifică a metodelor cunoscute de realizare materiale şi acoperiri nanostructurate cu activitate antimicrobiană Parteneri implicaţi: CO, P1, P2, Perioada de realizare a etapei I: 01.07.2014 – 28.11.2014
Etapa II - Cercetare industrială: studii, realizarea şi caracterizarea modelelor experimentale de materiale nanostructurate, ținte de pulverizare şi acoperiri nanostructurate, demonstrarea funcționalităţii modelului ales, protejarea drepturilor de proprietate industrială Parteneri implicaţi: CO, P1, P2, Perioada de realizare a etapei II: 29.11.2014 – 18.12.2015
Etapa III - Cercetare industrială şi dezvoltare experimentală parțială: realizarea şi caracterizarea modelelor de materiale şi acoperiri nanostructurate, elaborare specificații tehnice Parteneri implicaţi: CO, P1, P2, Perioada de realizare a etapei III: 19.12.2015 – 23.12.2016
Etapa IV - Definitivare dezvoltare experimentală: realizarea, caracterizarea şi certificarea prototipurilor de materiale şi acoperiri nanostructurate, realizarea unor produse finite acoperite Parteneri implicaţi: CO, P1, P2, Perioada de realizare a etapei IV: 24.12.2016 – 30.09.2017 Rezultate preconizate:
Studiu documentar; Modele funcţionale (MF) de matriţe din grafit pentru realizarea unor ţinte de pulverizare: minim
3 seturi; Pagina web a proiectului, care se actualizează periodic; Modele experimentale (ME) de materiale nanostructurate: minim 12; Modele experimentale (ME) de ţinte de pulverizare: minim 6; Modele experimentale (ME) de acoperiri nanostructurate: minim 12; Studii citologice şi biochimice; Cereri de brevet de invenţie înregistrate la OSIM: 2; Specificații tehnice materiale nanostructurate: minim 1; Specificații tehnice ţinte de pulverizare: minim 1; Specificații tehnice acoperiri nanostructurate: minim 1; Prototipuri de materiale nanostructurate: minim 1; Prototipuri de ţinte de pulverizare : minim 1; Prototipuri de acoperiri nanostructurate: minim 1; Produse finite acoperite: minim 3; Documentaţie tehnică de certificare a materialelor nanostructurate, ţintelor de pulverizare şi a
acoperirilor nanostructurate; Lucrări comunicate la manifestări tehnico-ştiintifice naţionale şi internaţionale: minim 4; Lucrări ISI transmise spre publicare în jurnale cotate ISI: minim 3; Lucrări publicate în jurnale cotate ISI: minim 2.
Date de contact:
CO: INCDIE ICPE-CA Bucureşti Director de proiect: Dr. Ing. LUNGU Magdalena-Valentina Telefon: 0723686334, E-mail: [email protected]
P1: UNIVERSITATEA BUCUREŞTI, Facultatea de Biologie Responsabil de proiect P1: Prof. Dr. CHIFIRIUC Mariana-Carmen Telefon: 0766728315, E-mail: [email protected]
P2: MGM STAR CONSTRUCT S.R.L. Responsabil de proiect P2: Drd. Fiz. SOBETKII Arcadie Telefon: 0744893946, E-mail: [email protected]
1
PROGRAMUL PNII - PARTENERIATE IN DOMENII PRIORITARE
Finantare: buget
Autoritate contractanta: Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamantului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii si
Inovarii (UEFISCDI)
Programul: PNII - PARTENERIATE IN DOMENII PRIORITARE
Contractor: Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Inginerie Electrica ICPE-CA (INCDIE ICPE-CA)
Partener 1: UNIVERSITATEA BUCURESTI, Facultatea de Biologie
Partener 2: MGM STAR CONSTRUCT SRL
RAPORT STIINTIFIC SI TEHNIC - ETAPA I/2014
la Contract 215/2014 - Materiale si acoperiri nanostructurate inovative
cu activitate antimicrobiana pentru aplicatii medicale (Acronim proiect: INMATCO)
Denumirea etapei: Cercetare industriala: studiu documentar privind evaluarea tehnico-stiintifica a
metodelor cunoscute de realizare materiale si acoperiri nanostructurate cu activitate antimicrobiana
Perioda de derulare a etapei: 1.07.2014 – 28.11.2014
Activitati / Partenerii implicati in realizarea activitatii:
A.I.1. Studiu documentar privind evaluarea tehnico-stiintifica a metodelor cunoscute de realizare materiale
si acoperiri nanostructurate cu activitate antimicrobiana / CO, P1, P2
A.I.2. Proiectare si realizare modele functionale de matrite de grafit pentru obtinerea tintelor de pulverizare
prin sinterizare in plasma de scanteie / CO
A.I.3. Realizarea unor modele experimentale de tinte de pulverizare prin sinterizare in plasma de scanteie si
caracterizarea mecanica a acestora / CO
A.I.4. Selectarea substratului din otel inox pentru aplicatii medicale si caracterizarea mecanica a acestuia / CO
A.I.5. Achizitionarea partiala a logisticii necesare (materii prime, materiale consumabile, piese de schimb,
echipamente, terti) pentru realizarea obiectivelor proiectului / CO, P1, P2
A.I.6. Diseminarea rezultatelor proiectului prin crearea paginii web a proiectului / CO
A.I.7. Managementul si coordonarea proiectului; Elaborarea raportului de etapa / CO, P1, P2
Rezultate asteptate: Studiu documentar; Desene de executie matrite din grafit; Minim 3 seturi de modele
functionale de matrite din grafit (1 set este compus din 2 poansoane, o oala si 2 piese de centrare); Minim 5
modele experimentale de tinte de pulverizare; Pagina web a proiectului; Raport de etapa
Colectiv de lucru:
CO: INCDIE ICPE-CA
Director de proiect:
Dr. Ing. Magdalena Lungu
Membri CO:
Dr. Ing. Ioana Ion
Dr. Ing. Mariana Lucaci
Dr. Ing. Violeta Tsakiris
Ing. Alexandra Bratulescu
Drd. Fiz. Diana Cirstea
Drd. Ing. Dorinel Talpeanu
Drd. Ing. Florentina Grigore
Ing. Nicolae Stancu
Dr. Ing. Delia Patroi
Ec. Silvia Dobrin
Sing. Carmen Hajdu
Tehn. Dorina Vlad
Tehn. Doina Zoicas
Munc. Valerica Matei
Munc. Nicolae Vicol
Munc. Dan Neagu
Munc. Voicu Constantin
P1: UNIVERSITATEA
BUCURESTI
Responsabil de proiect:
Prof. Dr. Chifiriuc Carmen
Membri P1:
Drd. Popa Marcela
Drd. Barbu (Czobor) Ilda
Dr. Ditu Lia-Mara
Dr. Bleotu Coralia
Stoica Maria
Sarbu Ecaterina
P2: MGM STAR
CONSTRUCT SRL
Responsabil de proiect: Drd. Fiz. Sobetkii Arcadie
Membri P2:
Drd. Fiz. Sobetkii A. Arcadii
Fiz. Capatana Valentina
Ec. Diaconu Corina Daniela
Ing. Gritcu Corneliu
Visan Mihai
Ec. Visan Emilia Cristina
2
Rezumatul etapei de executie
In cadrul acestei etape au fost efectuate activitati de cercetare industriala, care corelate cu activitatile
ulterioare de dezvoltare experimentala vor conduce la elaborarea de noi dispozitive medicale din categoria
instrumentelor medicale chirurgicale critice invazive, din otel inox, cu suprafata modificata care sa reduca
aderenta microbiana si capacitatea de a produce biofilme. Pentru aceasta se vor incorpora la nivel local diversi
agenti antimicrobieni pentru prevenirea colonizarii.
Capitolul 1 prezinta activitatea A.I.1-Studiu documentar privind evaluarea tehnico-stiintifica a
metodelor cunoscute de realizare materiale si acoperiri nanostructurate cu activitate antimicrobiana. Toti
partenerii au contribuit la intocmirea unui studiu documentar pe baza datelor din literatura de specialitate,
constituit din peste 70 de referinte bibliografice. Prin trecerea in revista a celor mai noi si valoroase rezultate
raportate in literatura, referitoare la metodele de obtinere materiale si acoperiri nanostructurate antimicrobiene
de tip MeNPs/MeONPs (Me = Ag, Cu; MeO = ZnO, TiO2, CaO, MgO) s-a urmarit stabilirea unei linii de
referinta a proiectului in ceea ce priveste parametrii de sinteza si procesare a materialelor si acoperirilor
nanostructurate antimicrobiene. Studiul a evidentiat aspectele tehnico-economice pentru diverse metode fizice
(PVD) si chimice de depunere din vapori (CVD) sau din solutii, in special pentru tehnicile care se vor aborda
in cadrul proiectului. Astfel au fost descrise succint urmatoarele metode: evaporarea termica, depunerea fizica
de vapori cu fascicul de electroni (EBPVD), depunerea cu arc catodic (Arc-PVD), depunerea prin pulverizare
cu magnetron in curent continuu (DC) si in radiofrecventa (RF), depunerea chimica de vapori asistata de
plasma, metoda sol-gel organo-metalica cu alcoxizi metalici in solventi organici si metoda sol-gel anorganica
cu saruri de metal in solutii apoase (cloruri, oxicloruri, azotati, etc.). Studiul a demonstrat particularitatile
fiecarei metode, impreuna cu avantajele, cat si limitarile acestora, fiind identificati parametrii de lucru, precum
si cerintele pe care trebuie sa le indeplineasca tintele de pulverizare metalice si ceramice.
Capitolul 2 este destinat activitatii A.I.2-Proiectare si realizare modele functionale de matrite de grafit
pentru obtinerea tintelor de pulverizare prin sinterizare in plasma de scanteie (SPS). Pentru aceasta, CO a
proiectat o matrita de grafit pentru obtinerea de tinte de pulverizare de diametru 50,8 mm prin procedeul SPS, a
elaborat desenele de executie a matritei si a realizat 3 seturi de modele functionale de matrite de grafit de inalta
densitate pentru obtinerea de astfel de tinte de pulverizare prin SPS. Demonstrarea functionalitatii matritelor a
fost efectuata prin realizarea de teste experimentale cu o instalatie SPS, la diverse programe de lucru.
Capitolul 3 prezinta activitatea A.I.3-Realizarea unor modele experimentale de tinte de pulverizare
prin sinterizare in plasma de scanteie si caracterizarea mecanica a acestora. Activitatea a fost indeplinita de
CO, care a elaborat prin procedeul SPS 6 modele experimentale (ME1-ME6) de tinte de pulverizare de
diametru 50,8 mm si inaltime 2-3 mm din Ag (ME1), Cu (ME2), ZnO (ME3, ME4) si TiO2 (ME5, ME6) si
le-a caracterizat mecanic prin nanoindentare. ME de tinte au prezentat valori ale duritatii Vickers de 86-313
HV, ale modulului lui Young de 51-143 GPa si ale rigiditatii de 0,35-0,68 mN/nm, valori care au depins de
tipul de material si parametrii de procesare a tintelor.
Capitolul 4 prezinta activitatea A.I.4- Selectarea substratului din otel inox pentru aplicatii medicale si
caracterizarea mecanica a acestuia. Activitatea a fost indeplinita de CO, care a selectat pentru substratul din
otel inox pentru aplicatii medicale doua marci de otel inox, si anume un otel inox austenitic marca 316L
(1.4404) si un otel inox martensitic marca 420 (1.4021). Esantioanele de otel inox selectat testate mecanic au
prezentat valori ale rezistentei la incovoiere de 1274 MPa, respectiv de 1712 MPa si ale duritatii Vickers de
495±69 HV, respectiv de 513±66 HV, valori ce indica o stare dura a otelurilor.
Capitolul 1. Studiu documentar privind evaluarea tehnico-stiintifica a metodelor cunoscute
de realizare materiale si acoperiri nanostructurate cu activitate antimicrobiana
1.1. Introducere Aderenta microbiana la un anumit substrat, urmata de colonizarea acestuia si formarea biofilmelor
poate avea un impact negativ in nenumarate domenii, de la cel industrial la cel medical, iar intelegerea
mecanismelor de aderenta si formare a biofilmelor este esentiala pentru instituirea unor masuri de prevenire
si combatere eficiente [1]. Biofilmul este definit ca o comunitate de celule microbiene atasate ireversibil la
un substrat, la o interfata sau unele de altele, inglobate intr-o matrice exopolizaharidica sau polimerica
produsa de aceste celule [2, 3]. Cantitatea de matrice extracelulara creste o data cu varsta biofilmului si
contribuie la rezistenta acestuia fata de agenti antimicrobieni, impiedicand acumularea antibioticelor in
interiorul biofilmului. In unele cazuri rezistenta la antibiotice a microorganismelor incluse in biofilm poate fi
chiar de 1000 de ori mai mare in comparatie cu cele planctonice, generand infectii cronice, greu de tratat [1],
[4-8]. Biofilmele microbiene sunt implicate in generarea infectiilor cronice, persistente, greu de tratat,
consecutiv formarii biofilmelor pe tesuturi sau pe dispozitive medicale [9]. Aderenta agentilor patogeni la
suprafata dispozitivelor medicale este considerata o etapa esentiala a procesului infectios [10].
In prezent, se urmareste dezvoltarea de noi dispozitive medicale cu suprafata modificata care sa reduca
aderenta microbiana si capacitatea de a produce biofilme, precum si incorporarea la nivel local a unor agenti
antimicrobieni pentru prevenirea colonizarii.
Una dintre directiile de cercetare privind aplicatiile biomedicale ale nanoparticulelor este obtinerea unor
materiale si acoperiri nanostructurate care sa previna sau sa reduca aderenta si dezvoltarea biofilmelor
microbiene, reducand astfel riscul aparitiei infectiilor asociate dispozitivelor medicale din categoria
instrumentelor medicale chirurgicale critice, invazive, din otel inox si sa imbunatateasca calitatea vietii, fara
alterarea proprietatilor otelului inox utilizat ca substrat. In plus, acoperirile antimicrobiene netoxice vor
diminua problemele legate de coroziunea suprafetelor indusa de contactul cu diferite substante biocidale
agresive si toxice utilizate la dezinfectarea si sterilizarea instrumentelor medicale, vor contribui la reducerea
alergiilor cauzate de Cr si Ni din oteluri si vor preveni sau reduce infectiile chirurgicale locale superficiale si
de adancime datorate utilizarii necorespunzatoare a instrumentelor medicale.
Acoperirile antimicrobiene active de oxizi metalici (MeO) anorganici, cum ar fi ZnO, TiO2, MgO,
CaO, etc sunt foarte promitatoare in ceea ce priveste aplicatiile biomedicale, deoarece acesti oxizi contin
elemente minerale esentiale pentru om [11]. Filmele nanocompozite de tip MeNPs/MeONPs constituite din
nanoparticule metalice (MeNPs) inglobate in matrici de oxizi metalici (MeONPs) sau filme de MeNPs
depuse pe filme de MeONPs, unde Me = Ag, Cu, etc., MeO = ZnO, TiO2, MgO, CaO, etc. sunt de mare
interes datorita proprietatilor functionale deosebite combinate cu cele antimicrobiene si antibiofilm [12],
deoarece o suprafata functionalizata bacteriostatic impiedica si previne colonizarea si proliferarea bacteriana.
In cazul produselor biomedicale supuse la uzura, incorporarea AgNPs in compusi de Ti poate modifica
proprietatile acestora, actionand ca un lubrifiant solid [13].
Principalii factori care influenteaza activitatea antimicrobiana a MeNPs, etc sunt: dimensiunea, forma
si concentratia particulelor. Pe langa acesti factori, la TiO2 apare si influenta structurii cristaline (anatas,
rutil, brookit, etc.). In plus, TiO2NPs si ZnONPs prezinta proprietati fotocatalitice excelente care
imbunatatesc eficienta antimicrobiana si antibiofilm [14].
Scopul acestei etape a fost elaborarea unui studiu documentar privind evaluarea tehnico-stiintifica a
metodelor cunoscute de realizare materiale si acoperiri nanostructurate cu activitate antimicrobiana,
prezentarea metodelor de bioevaluare a activitatii antimicrobiene si a biocompatibilitatii materialelor si
acoperirilor nanostructurate, proiectarea si realizarea unor modele functionale de matrite de grafit pentru
obtinerea tintelor de pulverizare prin procedeul de sinterizare in plasma de scanteie (SPS), realizarea unor
modele experimentale de tinte de pulverizare prin SPS si caracterizarea mecanica a acestora, selectarea
substratului din otel inox pentru aplicatii medicale si caracterizarea mecanica a acestuia.
1.2. Metode de realizare materiale si acoperiri nanostructurate cu activitate antimicrobiana
Materialele si acoperirile nanostructurate de tip MeNPs/MeONPs se pot obtine prin metode fizice si
chimice. In general, metodele de acoperire pot fi impartite in metode uscate (vid) si umede (solutii) [15].
Metodele uscate sunt clasificate in doua subtipuri: metode fizice de depunere din vapori (PVD) in vid
si in plasma si metode chimice de depunere din vapori (CVD), iar metodele umede sunt metode chimice de
4
depunere din solutii, cum ar fi sol-gel, auto-asamblare chimica sau polielectrolitica, depunerea
electrochimica, etc.
Procesele PVD functioneaza intr-un mediu cu vid inaintat, uzual la temperaturi cuprinse intre
temperatura camerei si 600°C. Materialul extrem de pur de acoperire din tinta (metale, ca Ag, Cu, Zn, Ti,
Mg, Ca, etc. sau oxizi metalici, ca ZnO, TiO2, MgO, CaO, SiO2, etc.) va fi dizolvat, fie sub influenta caldurii
(evaporare), fie pulverizat prin bombardare cu ioni (sputtering) si transportat printr-un proces fizic (ablatie,
pulverizare) pe un substrat, formand un film, fara a avea loc vreo reactie chimica. Compozitia poate fi usor
mentinuta de la tinta la film, desi grosimea acoperirii poate varia de la nanometri la cativa milimetri.
Depunere chimica din faza de vapori (CVD) este un proces chimic in care suportul este expus la unul
sau mai multi precursori volatili care reactioneaza si/sau se descompun pe suprafata substratului pentru a
produce depunerile dorite. Depunerea CVD se poate defini ca depunerea unui material solid din faza de
vapori pe o suprafata incalzita. Aceste metode presupun formarea unui strat stabil pe un substrat prin reactia
componentelor chimice in starea gazoasa, utilizand o energie de activare. Deoarece PVD cuprinde procese secventiale de coliziune, adsorbtie, precum si depunerea de particule
si/sau clustere in linie, pot sa apara dificultati in cazul acoperirilor partii din spate a substratului sau in
interiorul pieselor complexe prevazute cu gauri. In mod contrar, procesul CVD insoteste reactiile chimice ale
gazelor sursa si are loc in locuri in care pot patrunde gazele. CVD nu este un proces liniar, are o aderenta
buna si o acoperire conforme. Cu toate acestea, CVD este un proces activat termic, astfel incat este nevoie
de o temperatura ridicata. Ca urmare, este dificil de utilizat procesul CVD pentru acoperirea pe substraturi
nerefractare, cum ar fi metalele cu temperaturi mici de topire, dar poate fi utilizata pentru a prepara filme
ceramice refractare stabile termic chiar pe suporturi cu forme complexe, dar pe suprafete relativ mici de
depunere [16]. Un dezavantaj major al procesul CVD il constituie pericolele cauzate de gaze (toxice,
explozibile, inflamabile sau corozive, care pot polua mediul).
Tabelul 1.1. prezinta caracteristicile unor procese de depunere atomica [15].
Tabelul 1.1. Caracteristicile unor procese de depunere atomica [15].
Procesul de depunere
Caracteristica
Evaporare termica Pulverizare Depunere chimica din vapori
Mecanismul de producere a speciilor
de depunere
Energie termica Transfer de moment cinetic Reactie chimica
Viteza de depunere Inalta si foarte inalta:
uzual 1-2 µm/min;
max.
75 µm/min
Joasa pana la medie foarte
inalta: uzual 0,01 µm/min; cu
exceptia metalelor pure
(de ex. Cu - 1 µm/min)
Medie: uzual 0,02-0,25 µm/min,
mai mare in procesele asistate de
plasma si fascicule de particule
Specii de depunere Atomi si ioni Atomi si ioni Atomi
Uniformitatea acoperirii
substraturilor cu suprafete plane de
dimensiuni mari
Dependenta de
geometria sistemului
de evaporare
Buna Dependenta de geometria
reactorului, presiunea si
temperatura de lucru
Puterea de patrundere pentru:
- substraturi cu forme complexe
- gauri mici, infundate
Slaba, din cauza
umbririi geometrice
Slaba
Buna, dar grosime neuniforma
Slaba
Buna
Limitata
Depunerea metalelor
Depunerea aliajelor
Depunerea compusilor refractari
Da
Da
Da
Da
Da
Da
Da
Da
Da
Energia speciilor de depunere Joasa:
~0,1-0,5 eV
Poate fi inalta:
1-100 eV
Poate fi inalta in procesele
asistate de plasma si fascicule de
particule
Bombardamentul substratului/
stratului depus, cu ioni de gaz inert
In mod normal, nu Da sau nu, in functie de
geometria siste-mului de
pulverizare
Posibil
Perturbarea interfetei de crestere In mod normal, nu Da Da
Incalzirea externa a substratului in
timpul depunerii
In mod normal, da In general, nu Da
Alegerea unei anumite metode depinde de: cerintele pentru proprietatile stratului subtire, temperatura
maxima pe care o poate suporta substratul, compatibilitatea procedeului cu procesele aplicate substratului
inainte si dupa depunere si nu in ultimul rand costurile de productie, eficienta si fabricarea pe scara larga a
produselor [17].
In continuare se prezinta avantajele si dificultatile sau complexitatea unor metode de acoperire cum ar
fi evaporarea termica, EBPVD - depunerea fizica de vapori cu fascicul de electroni, Arc-PVD - depunerea cu
arc catodic (Plasmatron), depunerea prin pulverizare cu magnetron in curent continuu (DC) si in
5
radiofrecventa (RF) si depuneri prin metoda sol-gel, care sunt luate in considerare de catre partenerii
proiectului pentru a fi utilizate in realizarea obiectivelor proiectului.
1.2.1. Metode fizice de depunere din vapori in vid (PVD)
1.2.1.1. Evaporarea termica in vid
Evaporarea termica in vid este procedeul de depunere a straturilor subtiri in vid in care materialul, aflat
in stare solida este adus in stare de vapori ca urmare a incalzirii in vid pana la temperatura de evaporare, urmat
de recondensarea vaporilor pe substratul aflat la o temperatura mai scazuta.
Pentru ca evaporarea termica sa aiba loc, materialul este incalzit prin efect Joule cu ajutorul unui curent
electric sau curenti de inalta frecventa, bombardament cu fascicul ionic sau electronic de energie mare, de
ordinul KeV (fascicol cu electroni), arc electric, etc. La incalzire, unele materiale, cum ar fi Mg, Mn, Ca, Cr,
SiO, SnO2, WO3, In2O3, etc., trec direct in faza de vapori, avand loc procesul de sublimare.
Evaporarea termica poate fi realizata prin incalzirea materialului (topire sau sublimare) din evaporatoare
cu rezistenta termica mare (W, Ta, Mo). Acest procedeu permite evaporarea materialelor cu temperaturi de
evaporare sub temperatura de topire a materialului evaporatorului.
Pentru materiale cu temperaturi de evaporare mai mare este folosita metoda de incalzire indirecta,
preponderent metoda EBPVD - depunerea fizica de vapori cu fascicul de electroni, din creuzete de W, Ta, Mo,
C, Al2O3, ThO2, ZrO2, etc. cu racire fortata. Tipul si materialul evaporatoarelor si a creuzetelor este ales in
functie de temperatura necesara si de conditia ca materialul evaporatorului sa nu intre in reactie cu materialul
evaporat, care poate duce la impurificarea acoperirilor.
Avantaje: metoda versatila; viteze mari de depunere (0,1-75 μm/min), la temperaturi relativ scazute
ale substratului, cu randament foarte ridicat de utilizare a materialului; se pot obtine structuri
mono/multistrat omogene, stabile, uniforme, cu o aderenta buna la substrat si cu geometria dorita.
Dezavantaje: se pot obtine filme poroase, deoarece filmele depuse prin EBPVD cresc cu o
microstructura columnara, de densitate mica si cu indice de refractie scazut; temperatura maxima de evaporare
~2000ºC; din cauza riscului descompunerii in timpul evaporarii, pentru aliaje si materiale compozite se
folosesc metode speciale; posibilele fluctuatii ale parametrilor tehnologici conduc la neomogenitati in
compozitia chimica si structura cristalina a filmului; neregularitatile suprafetei pot cauza efecte de umbrire.
Prin evaporarea termica in vid se pot depune materiale antimicrobiene de tip Me (Ag, Cu, etc.) si prin
EBPVD se pot depune MeO (ZnO, TiO2, MgO, CaO) pe substraturi de sticla, otel, etc. (Tabelul 1.2) [20, 21].
Tabelul 1.2. Materiale de tip Me (Ag, Cu) si MeO (ZnO, TiO2, MgO, CaO)
care se depun prin evaporare termica in vid.
Material
Tempera-
tura de
topire [ºC]
Densitatea
[g/cm3]
Temperatura [ºC] la
presiunea de vapori [torr]
Metoda
de
evaporare
Material
creuzet
Material
nacela Observatii
10-8 10-6 10-4
Ag 961 10,49 574/
847
685/
958
832/
1105
EBPVD,
termica
Al2O3,
Mo
Mo, Ta Se evapora bine din orice sursa
Cu 1083 8,92
722
852
1027
EBPVD,
termica
Al2O3,
Mo, Ta
W, Mo Se evapora bine din orice sursa; filmele au aderenta slaba; se poate folosi un strat
intermediar, ca de ex. Cr
ZnO 1975 5,61 - - ~1800 EBPVD C W, Mo Se recoace in aer la 450ºC pentru a se reoxida
TiO2 (rutil) 1640 4,29 - - ~1300 EBPVD C, VC W, Mo Se evapora in 10-4 torr in atmosfera de
O2 pe substrat incalzit la 350ºC
MgO 2800 3,58 - - 1300 EBPVD C, Al2O3 W Formeaza oxizi volatili cu W
CaO 2580 3,35 - - ~1700 EBPVD ZrO2 W, Mo Formeaza oxizi volatili cu W si Mo
1.2.1.2. Depunerea in plasma cu arc catodic - Arc-PVD (Plasmatron)
Depunerea cu arc catodic sau Arc-PVD este o metoda de depunere fizica in care un arc electric de joasa
tensiune si curent mare este folosit pentru a vaporiza materiale de la o tinta catod. Materialul vaporizat
condenseaza apoi pe substrat. Tehnica poate fi utilizata pentru a depune straturi metalice, ceramice si
compozite. De asemenea metoda este folosita pentru a obtine depuneri de nitruri, carburi, oxizi din catozi
metalici cu proprietati de durificare si coeficienti redusi de alunecare.
Materialul ionizat este accelerat catre substrat de tensiunea bias negativa (potentialul dezvoltat pe tinta in
timpul aprinderii plasmei), care este aplicat acestuia. Ionii de metal intra in reactie cu gazul reactiv (oxigen sau
azot) introdus si bombardeaza cu o energie mare (10-100 eV) piesele care urmeaza a fi acoperite si se depun
sub forma unui strat de acoperire subtire, foarte aderent [23].
6
Avantaje: viteze ridicate de depunere (~ 0,02-0,05 µm/min); materialul vaporizat este ionizat in
proportie de 30-90%, atomii materialului fiind ionizati de mai multe ori; se obtin acoperiri dense, uniforme, cu
aderenta buna si rezistenta ridicata la uzura si coroziune; se pot obtine structuri mono/multistrat de o calitate
foarte buna la temperaturi de procesare relativ scazute (<100ºC); se pot evapora mai multe compozitii de
metale, fara a se schimba compozitia tintei solide ramase; catozii pot fi plasati in orice pozitie (orizontala,
verticala, cu susul in jos), ceea ce face posibil un design flexibil al instalatiei de depunere [24].
Dezavantaje: se utilizeaza un numar limitat de materiale pentru tinte - numai metale (fara oxizi) - care
nu au o temperatura prea scazuta de evaporare; datorita densitatilor de curent ridicate o anumita cantitate din
materialul tintei este ejectat ca picaturi lichide mici [24].
Literatura mentioneaza acoperiri de TiO2, ZnO, TiN, CrN, etc. obtinute cu succes prin Arc-PVD.
1.2.1.3. Metode si tinte de pulverizare
Pulverizarea este fenomenul fizic de expulzare a atomilor de la suprafata unui material solid, ca
urmare a bombardarii acestuia cu particule energetice. Ca particule energetice de bombardament se pot
utiliza: atomi neutri, care poseda o energie intre 10 eV si 40 eV, electroni de foarte inalta energie, neutroni,
ioni etc. De obicei se folosesc ioni de gaz inert (ioni pozitivi), cel mai adesea fiind folosit argonul [38].
1.2.1.3.1. Pulverizarea catodica
Metoda de depunere fizica prin pulverizare este un proces prin care atomii sunt ejectati dintr-un material
solid, tinta, datorita bombardament cu particule energetice. Ca particule energetice de bombardament se pot
utiliza atomi neutri, electroni de foarte inalta energie, neutroni si ioni. In cazul utilizarii ionilor pozitivi de gaz
inert (de regula argon) ca particule de bombardament, sursa de generare a acestora este descarcarea luminiscenta,
iar fenomenul fizic de pulverizare are denumirea de pulverizare catodica. Accelerarea si cresterea energiei ionilor
pozitivi de bombardament se realizeaza prin polarizarea tintei la un potential negativ de pana la 5 kV [28].
Avantaje: procedeu utilizat pentru depunerea straturilor magnetice, realizarea peliculelor criogenice,
depunerea materialelor greu fuzibile; depunerea aliajelor si a substantelor compuse; uniformitate de grosime
foarte buna a stratului depus, datorita geometriei plan-paralele; acoperirea substraturilor cu neregularitati,
mai ales daca acestea sunt polarizate cu potential negativ (de la -10 V la -100 V); aderenta mare a stratului
depus, datorita curatirii substraturilor prin bombardament ionic.
Dezavantaje: viteza de depunere redusa (0,001-0,01 µm/min) in conditiile unei tensiuni ridicate (de
peste ~1000 V), respectiv la presiuni mari (de peste ~1 Pa) ale atmosferei gazului descarcarii; instalatii de
depunere scumpe; material de depunere disponibil sub forma de placi.
1.2.1.3.2. Pulverizare in plasma - PAVD
In cazul metodei de pulverizare asistata de plasma (PAVD), particulele energetice reprezinta ioni de gaz
inert, de obicei de argon. Formarea si accelerarea fluxului de ioni pentru pulverizare se produce prin generarea
unei plasme in descarcare luminiscenta intre tinta de pulverizare, ce constitue sursa de generare a materialului
de depunere si piesa pe care se obtine depunerea.
Avantaje: presiunea in incinta de 100 ori mai mica decat la pulverizarea catodica obisnuita, rezultand
straturi curate, fara incluziuni de gaze; viteza ionilor incidenti de 15-20 ori mai mare, rezultand o curatare
foarte eficienta a substratului; se pot obtine straturi subtiri de mare calitate din materiale si combinatii de
materiale care nu pot fi procesate decat cu mari dificultati prin alte metode, putand fi folosite mai multe tinte
pentru obtinerea de straturi ale substantelor compuse, prin pulverizarea simultana a componentelor sau
multistraturi ale substantelor elementare pulverizate succesiv, viteza de pulverizare a fiecareia fiind riguros
controlata prin reglarea tensiunilor negative aplicate pe tinte; se pot obtine structuri mono/multistrat, cu
grosime controlata a straturilor subtiri care pot prezenta caracteristici morfologice si structurale diverse.
Dezavantaje: viteza mica de depunere (0,01-0,1 µm/min); calitatea acoperirilor depinde de marimea si
forma spotului, energia speciilor continute in plasma si distanta de separare tinta-colector; daca distanta este
prea mica, plasma devine prea energetica si produce o distributie mare de defecte si distrugerea structurii
depuse; instalatii de depunere foarte scumpe; material de depunere disponibil sub forma de placi.
1.2.1.3.3. Pulverizare catodica cu magnetron
Deoarece descarcarea luminiscenta anormala, utilizata la pulverizarea catodica constitue o sursa de
ioni ineficienta (numai cateva procente din atomii de gaz se ionizeaza) s-a dezvoltat metoda de mentinere a
descarcarii in camp magnetic axial - magnetron. Magnetii ce creaza campul magnetic din fata catodului sunt
astfel pozitionati incat sa existe cel putin o regiune in fata catodului in care locul geometric al liniilor
campului magnetic, paralel la suprafata tintei, este o curba inchisa [28].
7
Pulverizarea in regim magnetron se poate face cu unul sau mai multe magnetroane si se realizeaza prin
bombardarea intensa a catozilor magnetroanelor cu ioni proveniti dintr-o descarcare alimentata cu tensiune
continua, de radiofrecventa (RF) sau in impulsuri bipolare, intr-un gaz nobil (argon). Particulele pulverizate din
catodul magnetronului sunt atomi ai materialului, metal sau ceramica, din care este confectionat catodul
magnetronului. In catod sunt incorporati magneti permanenti sau electromagneti, generatori ai unui camp
magnetic perpendicular pe campul electric in apropierea catodului. Particulele pulverizate nu sunt influentate
de campurile electric si magnetic din fata acestuia, deplasandu-se sub forma unui flux de vapori spre interiorul
camerei de depunere, unde sunt amplasate substraturile pe care urmeaza sa creasca stratul subtire format din
atomi ai materialului pulverizat din catod sau compusi ai acestuia, daca in camera de depunere se introduc si
gaze reactive, cum ar fi azot pentru nitruri si oxigen pentru oxizi [30].
Parametrii de baza ai pulverizarii catodice cu magnetron sunt: tensiunea intre electrozi (tensiunea
anod-catod), curentul (sau densitatea de curent) in descarcare, respectiv puterea medie disipata in descarcare,
marimea inductiei campului magnetic si presiunea de lucru [38].
Sistemul magnetron alimentat DC permite depuneri de metale si unele materiale semiconductoare.
Pentru depuneri de materiale dielectrice, ceramice si semiconductoare este folosita alimentarea in RF pentru
eliminarea potentialului de suprafata ce apare la depunerile de materiale dielectrice.
Marimi de proces: presiunea globala si partiala a gazelor din camera de pulverizare, debitele gazelor
(inert si reactiv), distanta tinta-substrat, grosimea stratului depus pe substrat, gradul de acoperire a tintei si a
substratului, parametrii plasmei (densitatea si temperatura ionilor si electronilor din plasma), intensitatea
spectrala, intensitatea curentului/tensiunea/puterea de descarcare, debitul de evacuare, etc.
Avantaje: tinta este racita cu apa si ca urmare se genereaza putina caldura prin radiatie; aproape orice
material metalic din care este confectionata tinta poate fi pulverizat fara descompunerea acestuia; materialele
neconductoare pot fi pulverizate prin utilizarea de putere de radio frecventa (RF) sau medie frecventa (MF);
acoperirile de oxid pot fi pulverizate (pulverizare reactiva); acoperiri pulverizate foarte bune (fara picaturi); se
obtin straturi subtiri uniforme si omogene la temperaturi scazute in conditii de procesare controlate; se pot
realiza depuneri pe suprafete mari la temperaturi scazute ale substratului, care minimizeaza redistribuirea
impuritatilor; catozii (de pana la 2 metri lungime) pot fi pusi in orice pozitie, rezultand flexibilitate in proiectarea
instalatiilor de pulverizare; metoda este fezabila si se poate utiliza pe scara larga in productie [31].
Dezvantaje: viteza lenta de depunere si densitatea mica a plasmei (~ 5%) in comparatie cu procedeul
Arc-PVD; aderenta acoperirii si densitatea straturilor pulverizate pot fi mai mici decat la cele obtinute prin Arc-
PVD; gradul mic de ionizare a plasmei in zona substraturilor (uzual 5x10-6) poate duce uneori la aparitia unor
defecte si tensiuni mecanice in strat, care influenteaza negativ proprietatile stratului; gradul scazut de utilizare a
materialului tintei, datorita formarii unei zone de eroziune, unde se concentreaza plasma si este pulverizat mai
mult material decat in restul zonelor de pe suprafata tintei.
Prin alegerea corespunzatoare a parametrilor de proces se pot obtine structuri mono/multistrat de tip
MeNPs/MeO omogene ca grosime si compozitie, cu dimensiunea, forma si distributia controlata a MeNPs pe
filme de MeO stabile, uniforme, cu o aderenta buna la substrat si cu geometria dorita.
Din cele prezentate anterior, se poate trage concluzia ca se pot obtine filmele subtiri calitative de
MeNPs/MeO depuse pe diverse substraturi. Calitatea filmelor depinde puternic de metoda si conditiile de
depunere, precum si de tratamentul termic post depunere. Proprietatile lor se pot schimba in functie de
natura si cantitatea de MeNPs, absorbtia/pierderea de oxigen pe durata depunerii filmului, timpul si
temperatura de depunere, realizarea tratamentului termic sau a depunerii intr-o atmosfera reducatoare.
Varierea conditiilor de lucru influenteaza calitatea straturilor subtiri si proprietatile antibacteriene [40].
1.2.1.3.4. Tinte de pulverizare [41]
Tintele de pulverizare reprezinta placi sub forma de discuri, patrate sau drepunghiuri (in dependenta
de forma sursei de pulverizare) cu grosimi cuprinse intre 2-10 mm (grosimea este dictata de transferul termic
al materialului). Tintele necesita un contact termic foarte bun cu catodul si in majoritatea cazurilor (pe langa
contact mecanic) necesita lipire cu indiu sau adeziv conductor termic pe baza de pulberi de argint, pentru a
se realiza un sistem stabil mecanic (in cazul materialelor fragile) sau pentru a se reduce costurile materialelor
scumpe din care este confectionata tinta.
Un dezavantaj al tintelor ceramice il reprezinta faptul ca majoritatea materialelor ceramice nu sunt
conductoare si nu pot fi folosite cu sursa de putere in DC. Folosirea cu sursa de putere in RF induce o viteza
de pulverizare mica. Alt dezavantaj il reprezinta costul ridicat de productie al tintelor ceramice [42].
De exemplu, Kurt J. Lesker Company Ltd. (UK) comercializeaza tinte de diametru 2" (50,8 mm) si
grosime 0,125" (3,175 mm) din ZnO (99,9 % si 99,999 %) la pretul de 450 € si 480 €, din MgO (99,95 %) la
pretul de 686 €, din TiO2 (99,9 % si 99,99 %) la pretul de 303 € si 488 €, fata de tintele metalice din Ag
8
(99,99 %) la pretul de 194 € si de Cu (99,99 % si 99,999 %) la pretul de 75 € si 120 € [43]. Criteriile pentru
alegerea metodei de depunere includ durata de viata si modul de utilizare a tintei, reciclarea materialelor si
durata de depunere sau stabilitatea procesului de pulverizare in timpul folosirii tintei.
1.2.3. Metode chimice de obtinere materiale si acoperiri nanostructurate din solutie
Metodele de sinteza chimica in solutii includ tehnici specifice chimiei coloidale, metodelor
hidrotermale, sol-gel si alte metode de precipitare. Coloizii metalici nanostructurati se pot obtine prin
metode abordate atat "de sus in jos", cat si "de jos in sus". Dintre metodele "de sus in jos" se pot mentiona
procesele de depunere in vid, cum ar fi depunerea fizica (PVD) si chimica de vapori (CVD) [47]. Aceste
metode sunt destinate in principal la obtinerea pe scara de laborator a straturilor si acoperirilor
nanostructurate, dar pot fi folosite si la obtinerea nanoparticulelor prin desfacerea straturilor depuse din
colector. Folosirea acestor metode este ineficienta datorita costurilor de productie si a dificultatii in obtinerea
de nanoparticule cu o distributie granulometrica stransa. Metodele "de jos in sus" de preparare pe cale
chimica umeda a nanoparticulelor se bazeaza pe reducerea chimica a sarurilor metalice, cai electrochimice
sau descompunerea controlata de compusi organometalici metastabili [48].
Metodele chimice de depunere a materialelor nanostructurate pe cale umeda, din solutii, ofera
alternative eficiente si competitive cu metodele traditionale de depunere din stare solida, cum ar fi
evaporarea termica, pulverizarea, depuneri fizice si chimice din vapori si epitaxie cu fascicul molecular.
Sinteza nanomaterialelor pe cale chimica prezinta urmatoarele avantaje: obtinerea directa a unor
materiale noi sub forma de componente finale, extinderea la fabricatii pe scara mare si realizarea de
randamente mari. Sintezele chimice permit manipularea si amestecarea materialelor la nivel molecular, ceea ce
ar putea asigura grade foarte avansate de omogenitate.
Dezavantajele metodelor chimice de sinteza a nanopulberilor metalice constau in faptul ca, pe parcursul
procesarilor exista pericolele majore de impurificare, de formare a aglomeratelor de particule care altereaza
calitatea produselor finale, si existenta reala a periculozitatii reactiilor si a toxicitatii reactivilor.
Tabelul 1.3 prezinta metodele chimice uzuale de obtinere acoperiri nanostructurate si compararea
caracteristicilor principale ale filmelor subtiri produse. Aceasta clasificare poate fi de ajutor in alegerea tehnicii de
depunere potrivite pentru un anumit material si pentru o anume aplicatie, deoarece proprietatile materialelor
nanostructurate, produse prin diferite metode chimice variaza foarte mult.
Tabelul 1.3. Metodele chimice uzuale de obtinere acoperiri nanostructurate si
compararea caracteristicilor principale ale filmelor subtiri produse [49].
Metoda Adeziune Stabilitate termica Proprietati
mecanice
Precizia
grosimii
Nivelul de
ordonare
Compatibilitatea
industriala
Electrodepunere Buna Inalta, dependentade
material
Rezonabila ~Slaba
(zeci de nm)
Policristalin Foarte buna
Sol-gel Buna Inalta, dependenta de
material
Buna ~Slaba
(zeci de nm)
Amorf sau
policristalin
Foarte buna
Auto-asamblare
chimica
Puternica ~Slaba, dependenta de
materialele organice
folosite
Rezonabila Foarte inalta
(zecimi de nm)
Foarte inalta -
ordonare 2D
Rezonabila
Electrostatica (sau
Auto-asamblare
polielectrolitica)
Puternica ~Slaba, dependentade
polielectrolitul folosit
Rezonabila Inalta (domeniu
nanometric)
Buna –
ordonare strat
cu strat
Rezonabila
Acoperire prin
centrifugare
Slaba Slaba Slaba ~Slaba
(zeci de nm)
Amorf sau
policristalin
Foarte buna
1.2.3.1. Metoda sol-gel
Prin metoda sol-gel se pot sintetiza atat nanoparticule pure, stoechiometrice si monodisperse de oxizi
metalici, precum si filme subtiri. Metoda sol-gel este aplicata preferential la obtinerea pulberilor ceramice. La
pulberile astfel sintetizate, functie de tehnica folosita, poate fi necesar un tratament termic ulterior de
deshidratare, de indepartare a componentelor organice si o cristalizare controlata pentru a forma oxizii cu
structura si dimensiunile cristalitelor dorite.
Functie de natura precursorilor utilizati la obtinerea gelurilor, metoda sol-gel se clasifica in:
metoda organo-metalica cu alcoxizi metalici in solventi organici;
metoda anorganica cu saruri de metal in solutii apoase (cloruri, oxicloruri, azotati, etc.), care desi
este mult mai ieftina si mai facila de manipulat decat cea cu alcoxizi, prezinta dezavantajul ca reactiile sunt
mult mai greu de controlat.
9
1.2.3.1.1. Metoda organo-metalica
Hidroliza alcoxizilor (metoda organo-metalica) reprezinta calea cea mai comuna pentru prepararea
particulelor de oxizi metalici (MeO = TiO2, ZnO, MgO, CaO, SiO2, ZrO2, etc.). Alcoxizii sunt compusi in
care cationii metalici sunt legati de o unitate hidrocarbonat prin intermediul oxigenului. Formula generala a
unui alcoxid este M(OR)z, unde M = orice cation metalic, OR este o grupare alcoxidica (R = metil, etil,
propil, butil sau alte grupe alchil) si Z este valenta sau starea de oxidare a metalului.
Reactia sol-gel incepe cu hidroliza alcoxizilor intr-o solutie de amestec de apa cu alcool, in prezenta
unui catalizator, sub agitare, urmata de reactii de policondensare, asa cum se prezinta mai jos [49]:
M − O − H + H2O →M − OH + R − OH (hidroliza)
M − OH + HO − M →M − O − M + H2O (condensarea apei)
M − O − R + HO −M → M − O − M + R − OH (condensarea alcoolului)
Succesiunea acestor reactii implica urmatoarele transformari ale precursorilor in mediu apos:
hidroliza → polimerizare → nucleatie → crestere
Ca rezultat al condensarii speciilor partial hidrolizate intr-o retea polimerica tri-dimensionala se
formeaza un gel, ale carui proprietati sunt influentate de urmatorii parametrii de proces: natura si puritatea
precursorului, solventului si catalizatorului, concentratia reactantilor, continutul de apa si catalizator (acid sau
baza), pH-ul solutiei, temperatura la care se desfasoara procesul de hidroliza si prezenta aditivilor
(stabilizatorilor). Alti parametrii importanti care pot influenta materialul obtinut prin metoda sol-gel se refera la
imbatranirea (maturarea, adica modificarile structurale in timp, functie de temperatura, solvent si pH-ul
solului), precum si la durata si temperatura de uscare a gelului, cand se indeparteaza solventul.
Pentru obtinerea de oxizi metalici se folosesc precursori organo-metalici traditionali.
Etapele procesului de hidroliza a alcoxizilor in vederea obtinerii pulberilor de oxid metalic (MeO) sunt
prezentate schematic in Fig. 1.1.
Fig. 1.1. Fluxul tehnologic de obtinere a pulberilor de oxid metalic (MeO) prin hidroliza alcoxizilor.
Fig. 1.2 prezinta fluxul tehnologic de obtinere filme subtiri prin metode chimice de depunere din solutie [55].
Fig. 1.2. Fluxul tehnologic de obtinere filme subtiri prin metode chimice de depunere din solutie [55].
Tratamentele termice post-procesare imbunatatesc ordinea moleculara si marimea cristalitelor din
straturile subtiri. Avantajele metodei sol-gel constau in obtinerea de materiale mono/multi-componente si
filme subtiri texturate de oxizi metalici; cu puritate mare, deoarece precursorii alcoxidici pot fi purificati prin
distilare sau recristalizare; cu grad avansat de omogenitate; cu porozitate scazuta, prin folosirea unor
tratamente si durate de calcinare potrivite. In cazul sistemelor multi-componente se pot introduce cativa
componenti intr-o singura etapa, cu un control riguros al formei si al dimensiunii particulelor.
Dezavantajele metodei sol-gel: pret de cost ridicat al majoritatii precursorilor alcoxidici; timpi lungi
de procesare (>10 ore); emanatii de materiale volatile; contractii ale materialelor; aparitia de tensiuni care
conduc la fragmentare; vitezele de uscare necesare pentru evitarea fracturilor limiteaza folosirea gelurilor la
obtinerea acoperirilor la care este necesara o grosime mica.
Prin hidroliza alcoxizilor, urmata de centrifugare se pot obtine filme de MeO pe diferite substraturi.
1.2.3.1.2. Metoda anorganica
Prin metode chimice anorganice, solutiile cu ioni de substante solubile in mediul de reactie se
amesteca in anumite conditii de concentratie, pH, temperatura, presiune, atmosfera de reactie, viteza si timp
de amestecare etc. pentru obtinerea unui produs insolubil care se poate depune prin precipitare, se poate
procesa prin filtrare sau uscare prin pulverizare, pana la pulberea finala.
Precursor
M(OR)z Sol Agitare Gel Uscare/Calcinare Pulbere de MeO
H2O Catalizator
Precursori Soluţia de
depunere Pulverizare Film depus
Film
gelifiat
Film oxidic
amorf
Centrifugare
Imersare
Film
cristalizat
Tratament
termic
Multistrat
10
Precipitarea unei faze solide din solutii apoase este o tehnica comuna pentru sinteza particulelor fine.
In general, procedeul implica reactii in solutii apoase care contin saruri solubile sau suspensii. Sintezele de
particule in solutii decurg prin reactii chimice care duc la formarea de nuclee si apoi la cresterea particulelor.
Precipitarea include ambele etape care in timpul sintezei se pot suprapune mai mult sau mai putin.
Prin aceasta metoda pot fi precipitate particule elementale sau multicomponente. In cazul
multicomponentelor este necesar controlul conditiilor de coprecipitare in scopul asigurarii unei omogenitati
compozitionale chimice a produsului final.
Avantajele metodei sunt: metoda facila si versatila; se poate obtine o gama larga de nanoparticule cu
proprietati preconizate si in cantitati mari; se folosesc echipamente simple.
Dezavantaje: se pot forma compusi de reactie greu de separat de nanopulberi; pentru productia la
scara mare sunt necesare cantitati mari de materii prime care pot fi scumpe.
Sinteza unor nanoparticule metalice (Me = AgNPs, CuNPs, etc.) si nano-compozite de tip Me/MeO
(MeO = ZnO, TiO2, CaO, MgO, SiO2, etc.) cu activitate antimicrobiana (sau bioactive) impune realizarea
unor produse bine definite din punct de vedere al concentratiei, formei si dimensiunilor nanoparticulelor,
stabilitatii, puritatii, biocompatibilitatii si functionalizarii prin modificarea chimiei suprafetei acestora.
Sinteza chimica a MeNPs (Me = AgNPs, CuNPs, etc.) din solutii apoase consta in reducerea ionilor
de Ag+ sau de Cu
+ din saruri solubile de argint (azotatul, percloratul, iodura, etc.) sau saruri solubile de
cupru (azotatul, clorura, sulfatul, etc.), cu diversi reducatori, si stabilizarea solutiilor obtinute cu anumiti
agenti tensioactivi care protejeaza nanoparticulele de Me fata de floculare, prin efecte de chelatare sterica,
electrostatica, sau simultan, sterica si electrostatica [60-62].
Capitolul 2. Proiectare si realizare modele functionale de matrite de grafit
pentru obtinerea tintelor de pulverizare prin sinterizare in plasma de scanteie
Proiectarea desenelor de executie a matritelor de grafit s-a realizat cu programul SolidWorks, tinand cont
de faptul ca o matrita de grafit este compusa din urmatoarele subansamble: 1 - poanson (2 bucati identice, din
care una este poansonul superior si cealalta este poansonul inferior); 2 - oala (1 bucata); 3 - piesa de centrare (2
bucati identice, din care una este piesa de centrare superioara si cealalta este piesa de centrare inferioara).
Realizarea modelelor functionale de matrite de grafit
Pe baza desenelor de executie elaborate s-au realizat prin strunjire 3 seturi de matrite
de grafit (Fig. 2.1).
Fig. 2.1. Modele functionale de matrite de grafit de inalta densitate:
a) ansamblu matrita SPS, b) oala, c) poansoane, d) piese de centrare.
Verificare functionalitatii matritelor de grafit a constat in realizarea prin procedeul SPS a unor
modele experimentale de tinte de pulverizare din pulberi metalice (Ag, Cu) si ceramice (ZnO, TiO2). In
urma experimentarilor de verificare a functionalitatii matritelor de grafit s-a constatat faptul ca matritele au
functionat corespunzator si nu au prezentat defecte sau urme de uzura dupa utilizarea in instalatia SPS,
acestea putand fi refolosite pentru realizarea si altor probe sinterizate prin SPS.
Capitolul 3. Realizarea unor modele experimentale (ME) de tinte de pulverizare prin
sinterizare in plasma de scanteie (SPS) si caracterizarea mecanica a acestora
3.1. Realizarea unor modele experimentale (ME) de tinte de pulverizare prin SPS
Modelele experimentale (ME) de tinte de pulverizare au fost realizate de CO sub forma de probe
cilindrice de diametru 50,8 mm si inaltime 2-3 mm, utilizand o cantitate de pulberi care a fost introdusa
intr-o matrita de grafit de inalta densitate, care a fost plasata intr-o instalatie SPS tip HP D25 (FCT Systeme
GmbH, Germania) aflata in dotarea CO.
a) b) c) d)
11
Prin procedeul SPS au fost realizate de catre CO sase modele experimentale de tinte de pulverizare
de diametru 50,8 mm si inaltime 2-3 mm, notate ME1 – tinta din Ag, ME2 – tinta din Cu, ME3 – tinta din
ZnO, ME4 – tinta din ZnO, ME5 – tinta din TiO2 si ME6 – tinta din TiO2.
Fig. 3.1. prezinta aspectul ME de tinte de pulverizare obtinute prin SPS.
Fig. 3.1. ME de tinte de pulverizare obtinute prin SPS: a) ME1 – tinta din Ag, b) ME2 – tinta din Cu,
c) ME3 – tinta din ZnO, d) ME4 – tinta din ZnO, e) ME5 – tinta din TiO2, f) ME6 – tinta din TiO2.
3.2. Caracterizarea mecanica a ME de tinte de pulverizare Caracterizarea mecanica a probelor de ME de tinte de pulverizare s-a realizat prin teste de
nanoindentare, in conformitate cu standardele ISO 14577-1:2007, ISO 14577-4:2007 si ASTM E2546-07.
Testele au constat in determinarea duritatii Vickers, a modulului lui Young si a rigiditatii de contact elastic
(S) a probelor investigate, la temperatura camerei, din curbele de indentare prin metoda de calcul
Oliver&Pharr, cu un echipament Micro-Combi Tester (CSM Instruments, Elvetia), dotat cu modul de
nanoindentare (NHT) cu un indentor Berkovich de diamant ( = 65,3±0,3º).
Tabelul 3.1 prezinta rezultatele obtinute in urma testelor de nanoindentare pentru probele de ME de
tinte de pulverizare.
Tabelul 3.1. Rezultatele obtinute in urma testelor de nanoindentare pentru probele de ME de tinte de pulverizare.
Proba HVmedie EITmediu
[GPa]
hmax medie
[nm]
Smedie
[mN/nm]
ME1 – tinta din Ag 163 ± 28 59 ± 24 1251 ± 129 0,39 ± 0,13
ME2 – tinta din Cu 190 ± 34 109 ± 13 1116 ± 97 0,64 ± 0,04
4.2. Caracterizarea mecanica a substratului din otel inox selectat Caracterizarea mecanica a esantioanelor de otel inox a constat in determinarea rezistentei la
incovoiere la forfecare (Rm) prin metoda in trei puncte si a duritatii Vickers, modulului lui Young si
rigiditatii de contact elastic (S) prin teste de nanoindentare. Rezistenta la incovoiere (Rm) a fost determinata
din curbele caracteristice tensiune-deformatie, cu o masina universala pentru testarea mecanica in regim static a
materialelor, model LFM 30 kN (Walter&Bai AG, Elvetia) dotata cu un modul de testare la incovoiere in trei
puncte, conform standardelor ISO 7500-1:2004 si SR ISO 12986-1:2002. Fig. 4.1. prezinta curbele
caracteristice tensiune-deformatie pentru probele de otel inox investigate mecanic la incovoiere.
Fig. 4.1. Curba caracteristica tensiune - deformatie pentru o proba de otel inox: a) 316L si b) 420.
Tabelul 4.2. Rezultatele obtinute in urma testelor mecanice pentru probele de otel inox 316L si 420 selectate ca substrat.
Proba de otel inox Rm [MPa] HVmedie EItmediu [GPa] hmax medie [nm] Smedie [mN/nm]
PROGRAMUL PNII - PARTENERIATE IN DOMENII PRIORITARE Finantare: buget Autoritate contractanta: Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamântului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii (UEFISCDI) Programul: PNII - PARTENERIATE IN DOMENII PRIORITARE Contractor: Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Inginerie Electrica ICPE-CA (INCDIE ICPE-CA) Partener 1: UNIVERSITATEA BUCURESTI, Facultatea de Biologie Partener 2: MGM STAR CONSTRUCT SRL
RAPORT STIINTIFIC SI TEHNIC - ETAPA II/2015 la C215/2014 - Materiale si acoperiri nanostructurate inovative cu activitate antimicrobiana
pentru aplicatii medicale (Acronim proiect: INMATCO) Denumirea etapei: Cercetare industriala: studii, realizarea si caracterizarea modelelor experimentale de materiale nanostructurate, tinte de pulverizare si acoperiri nanostructurate, demonstrarea functionalitatii modelului ales, protejarea drepturilor de proprietate industriala Perioda de derulare a etapei: 29.11.2014 - 18.12.2015 Activitati / Partenerii implicati in realizarea activitatii: A.II.1. Realizarea modelelor experimentale de materiale nanostructurate si tinte de pulverizare optimizate / CO A.II.2. Caracterizarea fizico-chimica si structurala a modelelor experimentale de materiale nanostructurate, tinte de pulverizare obtinute din acestea si a substratului metalic utilizat pentru realizarea acoperirilor nanostructurate/CO A.II.3. Studii preliminare de citotoxicitate si genotoxicitate pentru optimizarea protocoalelor de lucru / P1 A.II.4. Evaluarea activitatii antimicrobiene a materialelor nanostructurate si a substratului metalic / P1 A.II.5. Experimentari preliminare pentru realizarea unor modele experimentale de acoperiri nanostructurate / P2 A.II.6. Caracterizarea fizico-chimica si structurala a modelelor experimentale de acoperiri nanostructurate / CO, P2 A.II.7. Evaluarea activitatii antimicrobiene a modelelor experimentale de acoperiri nanostructurate / P1 A.II.8. Protejarea drepturilor de proprietate industriala (pentru cercetare industriala) prin elaborarea unei cereri de brevet si inregistrarea acesteia la OSIM / CO, P1, P2 A.II.9. Achizitionarea partiala a logisticii necesare (materii prime, materiale consumabile, piese de schimb, echipamente, terti) pentru realizarea obiectivelor proiectului / CO, P1, P2 A.II.10. Diseminarea rezultatelor proiectului prin comunicarea si publicarea nationala sau internationala a rezultatelor proiectului si actualizarea paginii web a proiectului / CO, P1, P2 A.II.11. Participarea la manifestari tehnico-stiintifice nationale si internationale din domenii specifice proiectului /CO, P1, P2 A.II.12. Managementul si coordonarea proiectului; Elaborarea raportului de etapa (RST si financiar)/CO, P1, P2 Rezultate asteptate: Modele experimentale (ME) de materiale nanostructurate (min. 12), tinte de pulverizare optimizate (min. 4) si acoperiri nanostructurate (min. 9); Rapoarte de incercari; Fluxuri tehnologice de realizare materiale nanostructurate (min. 1), tinte de pulverizare (min. 1) si acoperiri nanostructurate (min. 1); Studii citologice si biochimice preliminare; O cerere de brevet de inventie inregistrata la OSIM; Comunicarea a min. 2 lucrari la manifestari tehnico-stiintifice nationale si internationale; Transmiterea spre publicare a min. 2 lucrari ISI; Publicarea a min. 1 lucrare intr-un jurnal cotat ISI; Pagina web a proiectului actualizata; Rapoarte de deplasare; Raport de etapa. Colectiv de lucru: CO: INCDIE ICPE-CA Director de proiect: Dr. Ing. Lungu Magdalena Membri CO: Dr. Ing. Patroi Delia Dr. Ing. Lucaci Mariana Dr. Ing. Tsakiris Violeta Dr. Fiz. Cirstea Diana Dr. Fiz. Leonat Lucia Dr. Fiz. Sbarcea Gabriela Dr. Ing. Ion Ioana Ing. Bratulescu Alexandra Ing. Mitrea Sorina Ing. Stancu Nicolae Drd. Ing. Talpeanu Dorinel Drd. Ing. Grigore Florentina Drd. Marinescu Virgil Drd. Ing. Marin Mihai Sing. Hajdu Carmen Tehn. Vlad Dorina Munc. Matei Valeria Tehn. Zoicas Doina Munc. Vicol Nicolae Munc. Vicol Ana
P1: UNIVERSITATEA BUCURESTI Responsabil de proiect: Prof. Dr. Chifiriuc Mariana-Carmen Membri P1: Drd. Popa Marcela Drd. Gheorghe Irina Dr. Curutiu Carmen Stoica Maria Sarbu Ecaterina Monica
P2: MGM STAR CONSTRUCT SRL Responsabil de proiect: Drd. Fiz. Sobetkii Arcadie, Director stiintific Membri P2: Director General Visan Mihai Drd. Fiz. Sobetkii A. Arcadii Fiz. Capatana Valentina Ec. Diaconu Corina Daniela Ing. Gritcu Corneliu Ec. Visan Emilia Cristina
2
REZUMATUL ETAPEI DE EXECUTIE
In cadrul acestei etape au fost efectuate activitati de cercetare industriala pentru obtinerea de noi agenti antimicrobieni pe baza de Ag-ZnO si Ag-TiO2 si depunerea acestora pe esantioane de otel inox pentru prevenirea colonizarii acestora cu diversi agenti patogeni, in vederea reducerii infectiilor chirurgicale locale datorate instrumentelor medicale chirurgicale critice invazive, din otel inox care nu prezinta activitate antimicrobiana si antibiofilm.
Capitolele 1 si 2 sunt destinate activitatilor A.II.1-Realizarea ME de materiale nanostructurate si tinte de pulverizare optimizate si A.II.2-Caracterizarea fizico-chimica si structurala a ME de materiale nanostructurate, tinte de pulverizare obtinute din acestea si a substratului metalic utilizat pentru realizarea acoperirilor nanostructurate. Aceste activitati au fost indeplinite de CO, care a elaborat 17 ME de suspensii coloidale de Ag-MeO (ME-S1...ME-S17), din care a realizat 15 ME de materiale nanostructurate de pulberi compozite (ME-P1...ME-P15), 14 ME de tinte de pulverizare (ME-T1...ME-T14) obtinute prin procedeul SPS si 16 ME de comprimate de pulberi compozite pentru evaporare termica. Pulberile au fost caracterizate din punct de vedere al morfologiei si marimii particulelor, a compozitiei chimice, densitatii liber varsate prin analize XRF, XRD, SEM si metoda Hall. Tintele de pulverizare au fost caracterizate din punct de vedere al compozitiei chimice prin analize XRF, densitatii cu balanta hidrostatica, duritatii Vickers si modulului lui Young prin teste mecanice. Prin spectrometrie de absorptie a luminii in UV-Vis a fost identificat AgNp in pulberile compozite si in tintele de pulverizare realizate din Ag-MeO.
Capitolele 3 si 4 prezinta activitatile A.II.3-Studii preliminare de citotoxicitate si genotoxicitate pentru optimizarea protocoalelor de lucru si A.II.4-Evaluarea activitatii antimicrobiene a materialelor nanostructurate si a substratului metalic, care au fost realizate de Partenerul P1. A fost efectuat un studiu privind investigarea citotoxicitatii a 12 probe de acoperiri de Ag-ZnO si ZnO si unei probe de otel inox, in scopul optimizarii metodologiei de testare a biocompatibilitatii in raport cu celulele mamaliane in vederea obtinerii unor noi generatii de materiale de acoperire a suprafetelor metalice. Materiale testate prezinta grade diferite de citotoxicitate asupra celulelor MG-63, ce conditioneaza utilizarea lor pentru aplicatii in vivo. A fost realizat un studiu de testare preliminara prin expunere pe termen scurt a genotoxicitatii a 3 probe de pulberi de Ag-ZnONp cu 0-2,64% AgNp, in scopul optimizarii metodologiei de testare in vivo a genotoxicitatii materialelor obtinute in cadrul proiectului, dar semnificatia statistica nu este deocamdata relevanta, fiind necesare teste suplimentare. Activitatea antimicrobiana a materialelor nanostructurate obtinute a fost evaluata impotriva unui spectru larg de bacterii si fungi. In acest scop s-a efectuat screening-ul calitativ al sensibilitatii acestor tulpini microbiene fata de materialele elaborate, a fost studiata influenta compusilor testati asupra dezvoltarii de biofilme microbiene pe substrat inert si s-a determinat concentratia minima inhibitorie (CMI) si concentratia minima de eradicare a biofilmului (CMEB) a materialelor nanostructurate fata de tulpinile bacteriene de testat.
Capitolul 5 descrie activitatea A.II.5-Experimentari preliminare pentru realizarea unor ME de acoperiri nanostructurate. Partenerul P2 a efectuat depunerile de straturi subtiri de materiale nanostructurate pe substrat de otel inox pe 2 echipamente de vid prin 2 metode de evaporare: (1) termic cu fascicol de electroni si (2) pulverizare cu magnetron in RF. Prin primul procedeu au fost obtinute 8 ME a cate 3-6 bucati de acoperiri nanostructurate de Ag-ZnO, ZnO si Ag, de grosime 100-1000 nm, depuse pe otel inox. Prin al doilea procedeu au fost obtinute 4 ME a cate 20-25 bucati de acoperiri nanostructurate de Ag-ZnO, ZnO si Ag depuse pe otel inox. Prin realizarea acestor acoperiri s-a demonstrat functionalitatea comprimatelor de pulberi utilizate la depunerile prin evaporare termica si a unor tinte de pulverizare utilizate la depunerile prin pulverizare cu magnetron in RF elaborate in cadrul acestei etape.
Capitolul 6 prezinta activitatea A.II.6-Caracterizarea fizico-chimica si structurala a ME de acoperiri nanostructurate realizata in comun de CO si P2. Probele de acoperiri au fost investigate din punct de vedere al uniformitatii, morfologiei, compozitiei chimice si dimensiunii de cristalit prin analize SEM cu EDX si XRD. Acoperirile au fost uniforme si omogene, cu o buna aderenta a filmelor depuse pe substratul metalic.
Capitolul 7 prezinta activitatea A.II.7-Evaluarea activitatii antimicrobiene a ME de acoperiri nanostructurate, indeplinita de P1, care a evaluat activitatea antimicrobiana pe 7 probe de ME de acoperiri nanostructurate si pe substratul din otel inox, utilizand tulpinile S. aureus si P. aeruginosa. Pe placutele din otel inox acoperite cu materiale nanostructurate nu s-au dezvoltat bacteriile, dar pe proba de substrat din otel inox au fost determinate 26x106 UFC/ml.
Capitolele 8-12 prezinta activitatile A.II.8-Protejarea drepturilor de proprietate industriala (pentru cercetare industriala) prin elaborarea unei cereri de brevet si inregistrarea acesteia la OSIM, A.II.9-Achizitionarea partiala a logisticii necesare pentru realizarea obiectivelor proiectului, A.II.10-Diseminarea rezultatelor proiectului prin comunicarea si publicarea nationala sau internationala a rezultatelor proiectului si actualizarea paginii web a proiectului, A.II.11-Participarea la manifestari tehnico-stiintifice nationale si internationale din domenii specifice proiectului si A.II.12-Managementul si coordonarea proiectului; Elaborarea raportului de etapa, in care partenerii proiectului (CO, P1, P2) printr-un management eficient au elaborat si inregistrat la OSIM o cerere de brevet de inventie, au achizitionat o parte din logistica necesara si au elaborat raportul de etapa, a fost actualizata pagina web a proiectului, a fost elaborat si trimis spre publicare un articol intr-un jurnal ISI cu factor mare de impact, au fost realizate 3 participari la manifestari tehnico-stiintifice internationale din domenii specifice proiectului (conferinta NANOTEXNOLOGY 2015, Salonic, Grecia; congresul ECCMID 2015, Copenhaga, Danemarca, Salonul Cercetarii 2015 organizat in cadrul Târgului Tehnic International Bucuresti-TTIB, România), au fost comunicate 2 lucrari sub forma de postere si o prezentare orala la o conferinta si un congres international, au fost intocmite 3 fise de produs (in româna si engleza) si prezentate produse (materiale nanostructurate, comprimate de pulberi compozite pentru evaporare termica si tinte de pulverizare) la Salonul Cercetarii 2015-TTIB, România.
In urma indeplinirii activitatilor A.II.1-A.II.12 s-au obtinut urmatoarele rezultate: 17 ME de suspensii coloidale de Ag-MeO; 15 ME de materiale nanostructurate de pulberi compozite Ag-MeO; un flux tehnologic de realizare materiale nanostructurate; 14 ME de tinte de pulverizare; un flux tehnologic de realizare tinte de pulverizare; 16 ME de comprimate de pulberi compozite Ag-MeO pentru evaporare termica; 12 ME de acoperiri nanostructurate din Ag-ZnO; 2 fluxuri tehnologice de realizare acoperiri nanostructurate; un studiu preliminar de citotoxicitate; un studiu preliminar de genotoxicitate; o cerere de brevet de inventie inregistrata la OSIM; pagina web a proiectului actualizata; 3 participari la manifestari tehnico-stiintifice internationale si nationale din domenii specifice proiectului; 3 lucrari (2 postere si o prezentare orala) comunicate; un articol elaborat pentru publicare intr-un jurnal ISI cu factor mare de impact; 3 fise de produs (in româna si engleza); 2 rapoarte de deplasare; raportul de etapa.
Avand in vedere cele de mai sus se considera oportuna continuarea lucrarilor de definitivare cercetare industriala si dezvoltare experimentala din etapa urmatoare, cu activitati de realizare, caracterizare si certificare prototipuri de materiale si acoperiri nanostructurate, realizarea unor produse finite acoperite, protejarea drepturilor de proprietate industriala, diseminarea pe scara larga a rezultatelor proiectului si a cresterii vizibilitatii internationale a proiectului.
3
DESCRIEREA STIINTIFICA SI TEHNICA
Scopul Etapei II/2015 a C215/2014 a fost elaborarea de modele experimentale (ME) de materiale nanostructurate, de tinte de pulverizare optimizate si de acoperiri nanostructurate si caracterizarea fizico-chimica, structurala si biologica a acestora si a substratului din otel inox utilizat pentru realizarea acoperirilor nanostructurate, stabilirea fluxurilor tehnologice de realizare materiale nanostructurate, tinte de pulverizare si acoperiri nanostructurate, realizarea unor studii citologice si biochimice preliminare, elaborarea unei cereri de brevet de inventie inregistrat la OSIM si diseminarea pe scara larga a rezultatelor proiectului.
Capitolul 1. Realizarea ME de materiale nanostructurate si tinte de pulverizare optimizate 1.1. Realizarea ME de materiale nanostructurate 1.1.1. Materii prime folosite: nanopulbere de ZnO (ZnONp, Metall Rare Earth Ltd.), pulbere
microcristalina de ZnO (ZnOMp, Fluka), nanopulbere de TiO2 (Metall Rare Earth Ltd.), pulbere microcristalina de TiO2 (TiO2Mp, Fluka), azotat de argint (AgNO3 p.a., cristalizat, Safina), polielectrolit (PE) anionic (Sigma-Aldrich, Merck), borohidrura de sodiu (NaBH4, Merck), apa bidistilata si alcool etilic p.a. (Chimopar).
1.1.2. Echipamente folosite: instalatie de sinteza chimica in mediu apos alcatuita dintr-un vas de reactie,
agitator mecanic tip RZR 2021 (Heidolph), plita de incalzire si palnie de alimentare cu reactivi; bidistilor tip 2102 (GFL); balanta analitica tip XT 220 A (Precisa); etuva de vid tip Vaciotem-T (Selecta); baie ultrasonica tip LBS2 (Falc); centrifuga tip Universal 320 (Hettich), sticlarie de laborator, pipeta automata, mecanica, unicanal, de volum 100-1000 l (Hirschmann), etc.
1.1.3. Mod de lucru: ME de materiale nanostructurate pe baza de Ag-MeO (MeO = ZnO, TiO2) s-au
obtinut prin sinteza chimica in situ a nanoparticulelor de Ag (AgNp) prin reducerea cationilor de argint (Ag+) din solutii apoase de AgNO3 cu un reducator slab de tip polielectrolit (PE) anionic care are rol si de stabilizator electrostatic, in care se afla dispersate MeONp, urmata de reducerea finala a Ag+ cu un reducator puternic (NaBH4). Comparativ s-au realizat si amestecuri mecanice (AM) de pulberi de MeO cu solutii coloidale de Ag.
1.1.4. Rezultate obtinute: Prin amestec chimic (AC) sau mecanic (AM) au fost elaborate 17 ME de
suspensii coloidale de Ag-MeO (ME-S1...ME-S17) cu un continut de 1000...2000 ppm AgNp si 10...25 % masice MeO. In Tabelul 1 si Fig. 1 se prezinta 15 ME de materiale nanostructurate de pulberi compozite (ME-P1...ME-P15) realizate din ME de suspensii coloidale de Ag-MeO.
Tabelul 1. ME de materiale nanostructurate de pulberi compozite realizate din ME de suspensii de Ag-MeO.
1.2. Realizarea ME de tinte de pulverizare optimizate 1.2.1. Materii prime folosite: ME de pulberi nanostructurate de Ag-MeO cu 0...2,64 % AgNp si pulberi
comerciale (PC) de AgMp, ZnONp, ZnOMp, TiO2Mp. 1.2.2. Echipamente folosite: instalatie de sinterizare in plasma de scânteie (SPS) tip HP D25 (FCT
Systeme GmbH), matrite de grafit de inalta densitate, cu sectiunea cerc de diametru 50,8 mm (cod MSPS 50,8, modele functionale realizate de CO in Etapa I/2014 a proiectului).
1.2.3. Mod de lucru: ME de tinte de pulverizare optimizate pe baza de Ag-ZnO au fost realizate sub
forma de probe cilindrice de Ø50,8 mm si h1,9-3 mm, utilizând ME de pulberi sintetizate sau pulberi comerciale, prin procedeul SPS, la parametrii precizati in cererea de brevet de inventie cu nr. de inregistrare la OSIM A/00605/20.08.2015, mentionata la Cap. 8.
1.2.4. Rezultate obtinute In Tabelul 2 si Fig. 2 se prezinta ME de tinte de pulverizare (ME-T1...ME-T14) realizate prin procedeul
SPS din ME de materiale nanostructurate de pulberi compozite Ag-MeO. Se observa aspectul uniform si omogen (fara fisuri) al tintelor elaborate. Culoarea tintelor (culoare galbena (ZnO), crem/maro (Ag/ZnO), gri inchis (TiO2), gri inchis/maro (Ag/TiO2)) a fost determinata de continutul de Ag din pulberile Ag-MeO si de parametrii de procesare prin SPS a tintelor.
Tabelul 2. ME de tinte de pulverizare realizate din ME de materiale nanostructurate de pulberi.
Cod ME tinta
ME de pulbere sintetizata / pulbere comerciala din care s-a realizat tinta
Fig. 2. ME de tinte de pulverizare realizate prin SPS: (a) ME-T3, (b) ME-T6, (c) ME-T7, (d) ME-T10, (e) ME-T12, (f) ME-T13.
Capitolul 2. Caracterizarea fizico-chimica si structurala a ME de materiale nanostructurate, tinte
de pulverizare obtinute din acestea si a substratului metalic utilizat pentru realizarea acoperirilor nanostructurate
2.1. Materiale folosite: ME de pulberi nanostructurate, ME de tinte de pulverizare din Ag-MeO cu
0...2,64% AgNp si pulberi comerciale (PC) de AgMp, ZnONp, ZnOMp, TiO2Mp. 2.2. Mod de lucru si echipamente folosite: Pulberile au fost caracterizate din punct de vedere al
morfologiei si marimii particulelor, a compozitiei chimice si densitatii liber varsate prin analize XRF,
a) b) c) d) e) f)
5
difractometrie de raze X, microscopie electronica SEM, metoda Hall si spectrometrie in UV-Vis. Tintele de pulverizare au fost caracterizate din punct de vedere al compozitiei chimice, densitatii, duritatii Vickers (HV), modulului lui Young prin analize XRF, metoda hidrostatica si teste mecanice. Prin spectrometrie de absorptie a luminii in UV-Vis a fost identificat AgNp in pulberile compozite si in tintele de pulverizare din Ag-MeO. Caracterizarea compozitionala a probelor de pulberi, tinte de pulverizare si substrat din otel inox a fost realizata cu un spectrometru de fluorescenta de raze X (XRF) de tip S8 Tiger (Bruker). Densitatea liber varsata a pulberilor a fost determinata prin metoda Hall. Marimea medie a cristalitelor din structura particulelor s-a determinat din ecuatia lui Schrerrer [1] prin difractometrie de raze X cu un difractometru de raze X Bruker tip D8 ADVANCE echipat cu tub de raze X, anod de Cu Kα (λ=1.5406 Å), oglinda Gobell, detector LynxEye 1D, inregistrarea spectrelor XRD in domeniul unghiular de masura 2 de 10-100o si viteza de scanare de 0.04°/s. Spectrele de reflectanta ale pulberilor si tintelor au fost inregistrate in domeniul de lungimi de unda de 800-300 nm cu un spectrofotometru UV-Vis-NIR Jasco V-570 echipat cu sfera integratoare pentru masuratori probe solide, folosind ca etalon BaSO4. Analiza SEM s-a efectuat cu un microscop electronic de baleiaj cu sursa de emisie de camp si cu fascicul focalizat de ioni (FESEM-FIB) de tip Auriga Zeiss, la magnificatie de 100000 X si tensiune de accelerare de 5 kV. Densitatea tintelor de pulverizare s-a determinat cu balanta hidrostatica, folosind ca lichid de imersie apa distilata. Duritatea Vickers (HV) si modulul lui Young al tintelor si substratului din otel inox s-au determinat prin microindentare, cu un echipament de caracterizare mecanica dotat cu modul de microindentare cu indentor Vickers din diamant (CSM Instruments) cu metoda de calcul Oliver&Pharr, in urmatoarele conditii: forta de amprentare de 20 N, durata de 15 s; viteza de apropiere a indentorului de proba de 2 m/min; viteza de incarcare/descarcare a sarcinii de 40 N/min. Pe fiecare proba s-au efectuat câte 10 masuratori, fiind prezentate valorile medii cu deviatia standard aferenta.
2.3. Rezultate obtinute In Fig. 3...Fig. 7 se prezinta rezultatele analizelor efectuate pentru probele de pulberi si de tinte de
pulverizare Ag-MeO investigate. Nanopulberile compozite Ag-MeO au un continut de 0...2,64 masice % AgNp, densitatea liber varsata de
0,33...1,08 g/cm3 si dimensiunea de cristalit medie de 18,74...78,74 nm. Din nanopulberile selectate s-au realizat tinte de pulverizare Ag-MeO si Ag cu un continut de 0...2,74 masice % AgNp, respectiv 99,9 % Ag, densitatea de maxim 5,44 g/cm3 (Ag-ZnO), maxim 3,97 g/cm3 (Ag-TiO2) si 10,5 g/cm3 (Ag), dimensiunea de cristalit medie de 35,39...47,49 nm, duritate Vickers (HV2/15) medie de maxim 298 (Ag-ZnO), 721 (Ag-TiO2) si 88 (Ag), modulul lui Young mediu de 79 GPa (Ag-ZnO), 165 GPa (Ag-TiO2) si 69 GPa (Ag).
Fig. 3. Difractogramele probelor de ME de pulberi compozite de (a) Ag-ZnO si a pulberilor PC de Ag si ZnO, (b) Ag-TiO2
a)
b)
6
Fig. 4. Difractogramele probelor de tinte de pulverizare din pulberi compozite de (a) Ag-ZnO, (b) Ag-TiO2.
Liniile de difractie ale compozitelor Ag-MeO corespund liniilor MeO, fara evidentierea liniilor specifice
Ag. Acest lucru semnifica faptul ca Ag a fost incorporat in reteaua MeO ca substituent pentru Zn2+ si Ti4+ sau ca atom interstitial [2]. Liniile de difractie indexate (Fig. 3 (a) si Fig. 4 (a) corespund ZnO (zincita) cu structura cristalina hexagonala de wurtzita tip B4 cu grup spatial P63mc (fise etalon PDF 03-065-2871 si PDF 00-036-1451). Liniile de difractie indexate (Fig. 3 (b) si Fig. 4 (b) corespund TiO2 (anatas la pulberi si rutil la tinte) cu structura cristalina tetragonala tip B4 cu grup spatial P63mc (fise etalon PDF 03-065-5714 la pulberi si PDF 01-071-6411 la tinte). Comparativ cu MeO, dimensiunea de cristalit a Ag-MeO scade cu cresterea continutului de Ag cand AgNp au fost depuse pe particulele de MeO, datorita incorporarii unor atomi de Ag in pozitiile de substitutie ale Zn (II) si Ti (IV) [3]. Ca rezultat, marimea particulelor de MeO dopate cu Ag este mai mica decat cea a particulelor de MeO nedopate.
Fig. 5. Imagini SEM ale pulberilor compozite din Ag-ZnO: (a) ME-P1, (b) ME-P2, (c) ME-P11, (d) ME-P12.
Fig. 6. Imagini SEM ale pulberilor compozite din Ag-TiO2: (a) ME-P7, (b) ME-P8, (c) ME-P14, (d) ME-P15.
Imaginile SEM (Fig. 5) confirma forma de prisma hexagonala caracteristica particulelor de ZnO si forma
sferica a AgNp. Particulele de Ag-TiO2 au o forma aproape sferica. Aceste observatii sunt in concordanta cu concluziile din analiza XRD si spectroscopia in UV-Vis (Fig. 7). Ambele tipuri de pulberi compozite prezinta o tendinta de aglomerare a particulelor. Elementele grele, ca Ag, pot fi identificate in imaginile SEM ale
a) b) c) d)
d)a) b) c)
a)
b)
7
pulberilor compozite Ag-MeO datorita aspectului luminos, deoarece Ag are abilitatea de a reflecta sau imprastia puternic electroni datorita numarului atomic mare (Z = 47) [4].
Fig. 7. Spectrele de reflectanta in UV-Vis ale pulberilor de (a) Ag-ZnO, Ag si ZnO, (b) Ag-TiO2 si TiO2 Formarea AgNp pe particulele de ZnO si TiO2 a fost dovedita in spectrele UV-Vis prin aparitia benzii de
absorptie maxima (minima de reflectanta) a rezonantei plasmonului de suprafata (RPS) la lungimi de unda cuprinse in intervalul 404-470 nm (Fig. 7, Fig. 8), datorita interactiunii puternice a AgNp cu lumina. Aceasta se produce deoarece electronii de conductie de pe suprafata Ag sunt supusi unei oscilatii colective atunci când sunt excitati de lumina la lungimi de unda specifice [5-8]. Varfurile RPS ale AgNp sunt conforme teoriei lui Mie, in care nanocristalele mici sferice sau cvasi-sferice ar trebui sa prezinte o singura banda RPS de absorptie, in functie de forma lor [9].
Forma sferica a AgNp este confirmata de imaginile SEM (Fig. 5, Fig. 6). Benzile de absorptie din domeniul UV, centrate la lungimi de unda cuprinse in intervalul 365-305 nm sunt atribuite ZnONp si TiO2Np cu dimensiuni mai mici decât cele ale particulelor de ZnO si de TiO2 bulk, care au valori ale benzii de absorptie de 373 nm, respectiv de 388 nm (Fig. 7, Fig. 8). Aceste lungimi de unda reprezinta pragul de absorptie in care oxizii metalici prezinta activitatea fotocatalitica [10]. Deplasarea varfurilor de RPS spre lungimi de unda mai mari, corelata cu benzile mai late indica o crestere a distributiei granulometrice a Ag-MeO [11].
Compozitia chimica a otelului inox austenitic 316L selectat ca substrat este: max. 0,03 % C, max. 1 % Si, max. 2 % Mn, 10-13 % Ni, max. 0,045 % P, max. 0,015 % S, 16,5-18,5 % Cr, max. 0,11 % N, 2-2,5 % Mo, rest % Fe [12]. Densitatea otelului este de 7,98 g/cm3, iar prin microindentare a rezultat duritatea Vickers medie de 495±69 si modulul lui Young mediu de 171±19 GPa.
a)
b)
8
Fig. 8. Spectrele de reflectanta in UV-Vis ale tintelor de pulverizare din pulberi de (a) Ag-ZnO, Ag si ZnO, (b) Ag-TiO2 si TiO2
Capitolul 3. Studii preliminare de citotoxicitate si genotoxicitate pentru optimizarea protocoalelor
de lucru
3.1. Studiu preliminar de citotoxicitate 3.1.1. Obiectiv: Investigarea citotoxicitatii unor probe de acoperiri (realizate cf. A.2.5) si de otel inox
(13 probe) in scopul optimizarii metodologiei de testare a biocompatibilitatii in raport cu celulele mamaliane in vederea obtinerii unor noi generatii de materiale de acoperire a suprafetelor metalice.
3.1.2. Metodologie: Analiza biocompatibilitatii esantioanelor de acoperiri nanostructurate (12 probe) s-a
efectuat prin studiul in vitro al interactiunii esantioanelor cu celulele MG-63 cultivate timp de 24 de ore pe substraturile acoperite si analizate din punct de vedere morfologic. Determinarea citotoxicitatii s-a realizat prin metoda calitativa de examinare microscopica a morfologiei celulelor aderate pe suprafetele obtinute, fara utilizarea coloratiilor citochimice. Probele codificate 1-13 au fost plasate in placi cu 24 godeuri si ulterior au fost adaugate 50.000 celule MG-63 [13], [14]. Dupa 24 de ore, celulele MG-63 au fost fotografiate in contrast de faza, la microscopul Zeiss Observer D1. Parametrii morfologici urmariti (morfologia generala, desprinderea de substrat, liza celulara, vacuolizarea) au fost inregistrati descriptiv [15].
b)
a)
9
3.1.3. Rezultate obtinute: Examinarea microscopica a monostratului celular dupa 24 de ore obtinut pe probele analizate a permis evidentierea unor detalii de morfologie ale celulelor aderate (Fig. 9).
Tabelul 3 prezinta clasificarea parametrilor morfologici urmariti și stabilirea gradului de citotoxicitate.
Fig. 9. Imagini de microscopie inversata, in contrast de faza, ale celulelor MG-63 crescute timp de 24 de ore pe esantioanele analizate (selectie probele 1, 6, 12, 13) si C - Control (x100).
Tabelul 3. Clasificarea parametrilor morfologici urmariti si stabilirea gradului de citotoxicitate.
Materiale testate Modificari morfologice Gradul de
citotoxicitate Proba 13 - substrat din otel inox 316L Control
Prezenta granulatiilor citoplasmatice, absenta lizei celulare, a reducerii cresterii
Absent
10 - Acoperire din ZnO/500 nm/otel (EG) < 20% celule rotunjite, desprinse, fara granulatii citoplasmatice, sau cu modificari ale morfologiei
Slab citotoxic
Proba 4 - Acoperire din Ag-ZnO /200 nm/otel (EG) Proba 9 - Acoperire din ZnO/200 nm/otel (EG) Proba 12 - Acoperire din ZnO/1000 nm/otel (EG)
50-70% celule rotunjite, desprinse, fara granulatii citoplasmatice sau cu modificari ale morfologiei
Moderat citotoxic
Proba 1 - Acoperire din Ag-ZnO/otel (MS) Proba 2 - Acoperire din Ag-ZnO/otel (MS) Proba 3 - Acoperire din Ag-ZnO/200 nm/otel (EG) Proba 5 - Acoperire din Ag-ZnO/500 nm/otel (EG) Proba 6 - Acoperire din Ag-ZnO/500 nm/otel (EG) Proba 7 - Acoperire din Ag-ZnO/500 nm/otel (EG) Proba 8 - Acoperire din ZnO/200 nm/otel (EG) Proba 11 - Acoperire din ZnO/1000 nm/otel (EG)
Monostrat complet sau aproape complet distrus
Inalt citotoxic
Se confirma aspectul normal al celulelor MG-63 in cazul probelor 13 si Controlului, prezenta unui efect
citotoxic slab in cazul probei 10, efect citotoxic moderat in cazul probelor 4, 9 si 12 (evidentiat prin prezenta celulelor cu morfologie normala, dar si a celor cu morfologie modificata (celule picnotice, rotunjite, desprinse de substrat) si respectiv prezenta unui efect citotoxic accentuat pentru restul probelor analizate (Fig. 9, Tabelul 3).
3.1.4. Concluzii: In concluzie, rezultatele preliminare de evaluare in vitro a biocompatibilitatii
materialelor analizate, au relevat faptul ca materiale testate prezinta grade diferite de citotoxicitate asupra celulelor MG-63, ce conditioneaza utilizarea lor pentru aplicatii in vivo.
3.2. Studiu preliminar de genotoxicitate 3.2.1. Obiectiv: Acest studiu reprezinta o testare preliminara prin expunere pe termen scurt a
genotoxicitatii probelor de pulberi: P2.2 Ag-ZnONp (AC-A); P1.11 ZnONp; P1.2 Ag-ZnONp (AC-A), in scopul optimizarii metodologiei de testare in vivo a genotoxicitatii materialelor obtinute in cadrul proiectului.
3.2.2. Introducere: Testul de micronucleatie in vivo pe model mamalian este un test standardizat utilizat
pentru detectarea leziunilor cromozomale, precum si a perturbarilor in desfasurarea ciclulul celular, in special a fazei mitotice, produse de un compus chimic (care este testat). Aceste modificari sunt studiate prin analiza celulelor hematopoetice prelevate din maduva osoasa si/sau sange periferic prelevat de la animale, in special rozatoare [16]. Alterari ale integritatii ADN pot fi determinate de o serie de compusi chimici care pot afecta procesele celulare normale prin interactiune directa sau indirecta cu ADN, determinand instabilitate genetica. Testul de micronucleatie in vivo este relevant pentru evaluarea potentialului mutagen al unor substante, deoarece sunt luati in considerare si factorii metabolici, farmacokinetici, precum si repararea ADN. Micronucleii sunt fragmente cromozomale, acentice, care apar din aberatii structural cromozomale asimetrice. Testul de micronucleatie pe model mamalian: Testul de micronucleatie (MMT assay) a fost realizat in concordanta cu recomandarile OECD referitoare la testarea substantelor chimice [17].
1 6 12 13 C
10
3.2.3. Design-ul experimentelor Animalele au fost expuse la suspensiile de testat prin injectie intraperitoneala 100 µl/g greutate corporala
(din solutia stoc 125 µg/ml in DMSO) in trei doze la interval de 72 ore. Prelevarea probelor biologice s-a facut conform recomandarilor Consiliului European (86/609/CEE/24.11.2004) [18]. Loturile de animale au fost codificate astfel: Grup Control - Animale din grupul injectat cu DMSO; Grup P1 - animale injectate cu P2.2. Ag-ZnONp (AC-A) dizolvat in DMSO; Grup P2 - animale injectate cu P1.11 ZnONp dizolvat in DMSO; Grup P3 - animale injectate cu P1.2 Ag-ZnONp (AC-A) dizolvat in DMSO.
3.2.4. Rezultate obtinute: Pentru a detecta posibilele efecte citotoxice a fost calculat raportul PCE/NCE
(polychromatic erythrocytes/normochromatic erythrocytes) in 1000 eritrocite/animal. Analiza s-a realizat la microscopul Olympus BX40 cu sursa de fluorescenta. Abundenta reticulocitelor a fost similara la grupurile analizate, respectiv: 46,4±3‰, 47,0±3,4‰, 47±1,6‰. De asemenea, reticulocitele fragmentate au prezentat o frecventa de 2,0 ±1‰ in raport cu martorul, indicand faptul ca nu exista fragmentari substantiale ale ADN pe parcursul ciclului celular la 24 h dupa primul tratament. Coloratia cu acridine orange poate diferentia cu usurinta reticulocitele fragmentate de cele normale [19]. Reticulocitele fragmentate sunt colorate cu AO in verde galbui, in timp ce reticulocitele normale sunt colorate in orange-rosu (Fig. 10).
Fig. 10. Imagini de microscopie de fluorescenta pe frotiuri obtinute din sange periferic - coloratia cu orange (X 120) - reticulocitele fragmentate sunt evidentiate in coloratia cu AO prin culoarea verde.
Parametrul denumit frecventa eritrocitelor policromatice micronucleate (MNPCE - micronucleated polychromatic erythrocytes) de la un singur individ a fost utilizat ca unitate experimentala, variatia standard reprezentand diferentele intre animalele din acelasi grup (Fig. 11, Tabelul 4).
Tabelul 4. Frecventa MN/1000 nuclei pentru probele analizate.
Fig. 11. Frecventa eritrocitelor policromatice micronucleate (Pair t Test).
3.2.5. Concluzii: Aceste rezultate sunt rezultatul unor studii preliminare de optimizare a metodologiei de
testare in vivo a genotoxicitatii, iar semnificatia statistica nu este deocamdata relevanta. Nu au fost identificate modificari majore in frecventa micronucleilor pentru cele trei probe raportate la control (p > 0,05).
Capitolul 4. Evaluarea activitatii antimicrobiene a materialelor nanostructurate si a substratului
metalic
4.1. Partea experimentala Activitatea antimicrobiana a ME de materiale nanostructurate obtinute a fost evaluata impotriva tulpinilor
bacteriene Gram-negative (Klebsiella pneumoniae 40, Acinetobacter baumannii complex 230, Enterobacter cloacae 56, Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853, Escherichia coli ATCC 8739) si Gram-pozitive (Staphylococcus aureus ATCC 6538, S. aureus meticilina rezistent - MRSA, Enterococcus faecalis ATCC 29212, Enterococcus faecium 17, Bacillus subtilis ATCC 6633) si tulpinei fungice Candida albicans ATCC 26790. Activitatea antimicrobiana a substratului metalic si a unor acoperiri din Ag-ZnO este prezentata la Cap. 7, cf. A.2.7.
Au fost efectuate urmatoarele teste: - screening-ul calitativ al sensibilitatii tulpinilor microbiene de testat fata de materialele elaborate
(esantioane de comprimate de pulberi de Ø8 mm si h1-2 mm) printr-o metoda adaptata difuziei de disc. Citirea rezultatelor s-a efectuat prin masurarea diametrelor zonelor de inhibitie generate de prezenta comprimatelor in mediu, cu ajutorul unei rigle gradate. Efectul bactericid al materialelor nanostructurate (inhibarea cresterii microbiene) a fost cuantificat prin aparitia unei zone de inhibitie (zona clara) in jurul esantionului analizat.
- determinarea concentratiei minime inhibitorie (CMI) (mg/ml) a materialelor nanostructurate fata de tulpinile bacteriene de testat s-a realizat prin metoda microdilutiilor seriale in mediu lichid (Mueller Hinton) repartizat in placi cu 96 de godeuri, ca fiind cantitatea minima de compus chimic capabila sa inhibe cresterea celulelor microbiene [20].
- studiul influentei compusilor testati asupra dezvoltarii de biofilme microbiene pe substrat inert s-a realizat conform referintei [21], iar valoarea concentratiei minime de eradicare a biofilmului (CMEB) (mg/ml) a fost considerata ca fiind cea mai mica concentratie a compusului testat care a inhibat dezvoltarea biofilmului pe godeurile placii.
4.2. Rezultate obtinute Realizarea screening-ului calitativ (Fig. 12) a avut ca scop determinarea activitatii antimicrobiene a
compusilor luati in studiu.
Fig. 12. Actiunea inhibitorie a materialelor testate asupra tulpinii de
(a) S. aureus, (b) S. aureus meticilina rezistent, (c) K. pneumoniae, (d) B. subtilis.
Majoritatea compusilor (Fig. 12) au exercitat o actiune antimicrobiana crescuta fata de unele tulpini microbiene Gram-pozitive (S. aureus, S. aureus meticilina rezistent, E. faecium, B. subtilis) si Gram-negative (K. pneumoniae, A. baumannii, E. cloacae, E. coli) supuse testarii, evidentiata prin aparitia unor zone de inhibitie a cresterii, cu diametru cuprins in intervalul 9-50 mm.
Valorile CMI si CMEB au variat de la 0,002 mg/ml la >1 mg/ml, functie de compusii si tulpinile testate. Compusii din Ag-ZnO cu 0...2,64 % AgNp au fost mai eficienti din punct de vedere al bioactivitatii comparativ cu cei din Ag-TiO2. In plus, activitatea antimicrobiana a fost mai buna asupra tulpinilor Gram-pozitive testate fata de cele Gram-negative, probabil datorita diferentelor dintre structura celulara a bacteriilor Gram-pozitive si cele Gram-negative, care prezinta grosimi diferite ale straturilor de peptidoglican care inconjoara membrana plasmatica. Bacteriile Gram-pozitive au mai multe straturi de peptidoglican de grosime 30-100 nm, care constituie in jur de 50% din materialul peretelui celular, in timp ce bacteriile Gram-negative au doar cateva straturi subtiri de peptidoglican de circa 10 nm grosime, care constituie 5-10% din materialul peretelui celular. Cu toate acestea, membrana exterioara a bacteriilor Gram-negative bogata in fosfolipide, proteine, lipoproteine si lipopolizaharide ar putea reprezenta o bariera suplimentara impotriva particulelor testate [22]. Totusi, in anumite cazuri, atunci cand membrana exterioara este strapunsa, peretii celulari ai bacteriilor Gram-negative sunt mai predispusi la rupere mecanica datorita cantitatii reduse de peptidoglican [23], [24].
Avand in vedere rezultatele testelor biologice, partenerii proiectului au selectat pentru realizarea depunerilor materiale nanostructurate pe baza de Ag-ZnO.
c) d)
a) b)
12
Capitolul 5. Experimentari preliminare pentru realizarea unor ME de acoperiri nanostructurate
Pentru realizarea activitatii A.2.5. Partenerul P2 - SC MGM Star Construct SRL a efectuat probele experimentale de depuneri straturi subtiri de materiale nanostructurate pe substrat de otel inox pe 2 echipamente de vid prin 2 metode de evaporare: (1) termic cu fascicol de electroni si (2) pulverizare cu magnetron in RF.
5.1. Realizare ME de acoperiri nanostructurate prin evaporare termica cu fascicol de electroni
5.1.1. Materiale folosite: - materiale pentru evaporare in forma de comprimate de pulberi metalice (Ag) si Ag-MeO (MeO = ZnO,
TiO2) cu 0...2,64 % MeO cu dimensiunile Ø8 mm x h2-3,5 mm. Modelele functionale (MF) de comprimate de pulberi nanostructurate au fost realizate de CO in cadrul acestei etape si predate Partenerului P2 (16 MF de comprimate de pulberi: P1.2, P1.5, P1.7...P1.13, P1.14, P2.1...P2.6 (Fig. 13).
- substrat din otel inox marca 316L (Fig. 14).
Fig. 13. Comprimate din pulberi: (a) P1.7, (b) P1.14, (c) P2.2, (d) P2.6. Fig. 14. Substrat din otel inox.
5.1.2. Partea experimentala: Depunerile de grosime 100-1000 nm au fost realizate cu o instalatie de vid Balzers BAK-600 (Fig. 15), echipata cu sursa e-gun, sistem dozare gaz tehnologic, sistem de monitorizare rata de depunere si grosime strat depus cu cuart XTC INFICON, etc.
Fig. 15. Instalatie de vid Balzers BAK-600: (a) vedere generala, Fig. 16. Pozitionare fascicol (a) si evaporare (b) (b) sursa e-gun, (c) panou comanda vid, rotatie, descarcare luminoasa, sistem XTC INFICON.
5.1.3. Rezultate obtinute Prin procedeul de evaporare termica cu fascicol de electroni (Fig. 16) Partenerul P2 a procesat 8 tipuri de
materiale de evaporat (P.1.5. Ag-ZnONp (AC-C), P.1.11 ZnONp, P.1.2. Ag-ZnONp (AC-A), P.1.12. ZnOMp, P.2.1. Ag-ZnONp (AM-A), P.2.2. Ag-ZnONp (AC-C), P.2.3. Ag-ZnOMp (AC-C), P.1.10 AgMp), astfel incat au fost obtinute 8 ME a cate 3-6 bucati de acoperiri nanostructurate (notate EG) de Ag-ZnO, ZnO si Ag de grosime 100 nm, 200 nm, 500 nm si 1000 nm, depuse pe substrat de otel inox 316L (Fig. 17).
Prin realizarea acestor acoperiri s-a demonstrat functionalitatea comprimatelor de pulberi pentru evaporare elaborate in cadrul acestei etape.
Fig. 17. Probe de acoperiri depuse/otel inox (EG) si livrate de P2 la CO pentru caracterizari.
a) b) c)
a) b) c) d)
a) b)
13
5.2. Realizare ME de acoperiri nanostructurate prin pulverizare cu magnetron in RF
5.2.1. Materiale folosite: - tinte de pulverizare pe baza de Ag-ZnO, ZnO, Ag, Ag-TiO2 si TiO2 elaborate in cadrul proiectului; - substrat din otel inox marca 316L;
5.2.2. Partea experimentala: Depunerile au fost realizate cu o instalatie de vid VUP-5 (Fig. 18, Fig. 19) echipata cu sursa evaporare - pulverizare TORUS 2” HV (Kurt J. Lesker); sistem dozare gaz tehnologic; sistem alimentare RF (Kurt J. Lesker), continand R301 MKII radio frecventa (RF) 15 MHz si putere 300 W, EJAT3 retea cuplare automata si EJMC2 controler cuplare automata, etc.
5.2.3. Rezultate obtinute Prin pulverizare cu magnetron in RF Partenerul
P2 a procesat 4 tipuri de tinte de pulverizare (ME-T1, ME-T5, ME-T6, ME-T8), astfel incat au fost obtinute 4 ME a cate 20-25 bucati de acoperiri nanostructurate de Ag-ZnO, ZnO si Ag depuse pe substrat de otel inox 316L (ex. Fig. 20). Probele au fost predate pentru caracterizari Coordonatorului CO de catre Partenerul P2.
Prin realizarea acestor acoperiri s-a demonstrat functionalitatea unor tinte de pulverizare din Ag-ZnO, ZnO si Ag elaborate in cadrul acestei etape.
Fig. 20. Acoperiri depuse pe otel inox (MS) din tinta (a) ME-T5, (b) ME-T6, (c) ME-T8.
Capitolul 6. Caracterizarea fizico-chimica si structurala a ME de acoperiri nanostructurate 6.1. Materiale folosite: ME de acoperiri (EG si MS) realizate cf. Capitolului 5. 6.2. Mod de lucru si echipamente folosite: Probele de acoperiri au fost caracterizate pe directia
longitudinala a acoperirilor, din punct de vedere al morfologiei si marimii particulelor de pulbere si a compozitiei chimice prin analize XRD cu un difractometru de raze X Bruker tip D8 ADVANCE si analize SEM cu EDX cu un microscop electronic de baleiaj cu sursa de emisie de camp si cu fascicul focalizat de ioni (FESEM-FIB) de tip Auriga Zeiss.
6.3. Rezultate obtinute In Fig. 21 se prezinta difractogramele de acoperiri din pulberi compozite Ag-ZnO depuse pe otel inox
prin cele 2 metode de evaporare abordate in cadrul cercetarilor experimentale.
Fig. 18. Instalatie de depunere in vid VUP-5 (a), incinta vid (b).
Fig. 19. Realizare depuneri: (a) initiere plasma, (b) proces depunere, (c) demontare suport cu probe acoperite depuse.
a) b) c)
a)
b)
c)
a)
a) b)
14
Fig. 21. Difractogramele probelor de acoperiri din pulberi compozite Ag-ZnO depuse pe otel inox prin: (a) evaporare termica cu fascicol de electroni, (b) pulverizare cu magnetron in RF.
Dupa depunerea prin evaporare termica (EG) materialele nanostructurate de acoperiri din Ag-ZnO au o
dimensiune medie de cristalit de 7,92-18,23 nm. Fig. 22 prezinta rezultate analizelor EDX ale unor probe de acoperiri (EG si MG) elaborate cf. Cap. 5.
Acoperirile au un aspect omogen (Fig. 22), cu distributia uniforma a AgNp in matricea de ZnO. Se
remarca o scadere in jur de 5-15 % a continutului de AgNp in materialul depus, comparativ cu materialul de depunere, dar acest lucru nu a dus la scaderea activitatii antimicrobiene (cf. Rezultatelor din Cap. 6).
b)
c) d)
a) b)
e) f)
15
Capitolul 7. Evaluarea activitatii antimicrobiene a ME de acoperiri nanostructurate 7.1. Materiale de analizat: (probe de acoperiri de grosime 200 nm, 500 nm, 1000 nm din pulbere
P1.5/Ag-ZnONp pe otel inox 316 L (e-gun) (probe notate 1-3), acoperiri de 200 nm, 500 nm, 1000 nm din pulbere P1.11/ZnONp pe otel inox 316 L (e-gun) (probe notate 4-6), substrat de otel inox 316 L (proba 7)).
7.2. Tulpini utilizate: Staphylococcus aureus ATCC 6538 si Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853 7.3. Mod de lucru: Peste esantioanele de placute de analizat sterilizate prin radiatii UV s-au adaugat 20 l
de suspensie bacteriana 0,5 McFarland si s-a lasat la incubat 6 ore, dupa care placutele au fost puse in 1 ml ser fiziologic, au fost vortexate, iar din suspensia rezultata s-au realizat dilutii binare care s-au insamantat pentru determinarea UFC.
7.4. Rezultate obtinute Pe placutele din otel inox acoperite cu Ag-ZnO si ZnO (probele 1-6) nu s-au dezvoltat bacteriile.
Pe substratul din otel inox (proba 7) s-au determinat 26x106 UFC/ml. Rezultatele obtinute in cazul celor doua tulpini bacteriene testate sunt asemanatoare. Fig. 23 prezinta rezultatele obtinute in cazul testelor cu P. aeruginosa.
Fig.23. Aspectul probelor analizate (1-7 de la stanga la dreapta) impotriva bacteriei Gram negative P. aeruginosa.
Capitolul 8. Protejarea drepturilor de proprietate industriala (pentru cercetare industriala) prin
elaborarea unei cereri de brevet si inregistrarea acesteia la OSIM In cadrul Etapei 2/2015 a fost elaborata in comun de catre partenerii proiectului (CO, P1, P2) o cerere de
brevet de inventie cu nr. de inregistrare la OSIM A/00605 din 20.08.2015, cu titlul “Tinte de pulverizare si straturi subtiri din nanopulberi antimicrobiene din oxid de zinc dopate cu argint si procedeu de obtinere”, autori: M.V. Lungua, D. Patroia, F. Grigorea, M. Lucacia, D. Talpeanua, V. Tsakirisa, S. Mitreaa, A. Bratulescua, C.D. Cirsteaa, N. Stancua, V. Marinescua, A. Sobetkiib, A.A. Sobetkiib, M.-C. Chifiriucc, M. Popac (a CO / INCDIE ICPE-CA, b P2 / MGM STAR CONSTRUCT S.R.L., c P1 / Universitatea din Bucuresti).
piese de schimb, echipamente, terti) pentru realizarea obiectivelor proiectului Pentru indeplinirea obiectivelor proiectului si a activitatilor propuse in Planul de realizare a proiectului
INMATCO partenerii proiectului au efectuat conform devizelor antecalcul diverse cheltuieli de materii prime, materiale consumabile, piese de schimb, terti, etc. Aceste cheltuieli sunt prezentate in Fisa de evidenta a cheltuielilor (FEC) pentru Etapa II/2015.
Capitolul 10. Diseminarea rezultatelor proiectului prin comunicarea si publicarea nationala sau
internationala a rezultatelor proiectului si actualizarea paginii web a proiectului In vederea diseminarii pe scara larga a rezultatelor obtinute in cadrul contractului PNII nr. 215/2014 in
domeniul nanomaterialelor si acoperirilor nanostructurate pentru aplicatii medicale si a cresterii vizibilitatii internationale a proiectului INMATCO, partenerii proiectului (CO, P1, P2) au realizat urmatoarele: comunicari: (1) prezentare sub forma de poster a lucrarii stiintifice: “Synthesis, processing and
characterisation of Ag-ZnO nanostructured materials and coatings for medical applications”, autori: M.V. Lungua, I. Iona, D. Talpeanua, F. Grigorea, D. Patroia, S. Mitreaa, V. Marinescua, M.C. Chifiriucb, M. Popab, A. Sobetkiic, A.A. Sobetkiic, V. Tsakirisa, M. Lucacia, A. Bratulescua, C.D. Cirsteaa (aCO/INCDIE ICPE-CA, bP1/Universitatea din Bucuresti, cP2/MGM STAR CONSTRUCT S.R.L.), sustinuta de Dr. Ing. M. Lungu (CO/INCDIE ICPE-CA) la conferinta „12th International Conference on Nanosciences & Nanotechnologies (NN15-NANOTEXNOLOGY 2015), Thessaloniki, Greece”; (2) prezentare sub forma de poster a lucrarii stiintifice “High prevalence of OXA-48 carbapenemase amongst ESBL-producing but carbapenem-susceptible Enterobacteriaceae strains isolated from the intensive care units of a Romanian hospital”, sustinuta de Drd. I. Gheorghe (P1/Universitatea din Bucuresti): (3) comunicare
16
orala a lucrarii stiintifice “Epidemiology of Pseudomonas aeruginosa from regions with extraordinary high prevalence of antimicrobial drug resistance: Eastern Europe”, autori: I. Gheorghe, M.C. Chifiriuc, I. Czobor (P1/Universitatea din Bucuresti) sustinuta de Drd. Irina Gheorghe, in data de 27.04.2015, la Bella Center (locul desfasurarii Congresului ECCMID 2015, Copenhagen Denmark), in cadrul unei intalniri cu partenerii unei propuneri de proiect Horizon 2020, intitulata Bacteria Early Warning System for Antibiotic Resistance in Europe, acronim BEWARE.
articole publicate: abstractul lucrarii “Synthesis, processing and characterisation of Ag-ZnO nanostructured materials and coatings for medical applications”, autori: M.V. Lungua et. al. a fost publicat in Book of Abstracts a conferintei „12th International Conference on Nanosciences & Nanotechnologies (NN15-NANOTEXNOLOGY 2015), Thessaloniki, Greece”, la pag. 121 si un articol elaborat si trimis spre publicare intr-un jurnal ISI cu factor mare de impact.
actualizarea paginii web a proiectului (http://www.icpe-ca.ro/lib/files/C215.pdf) cu Raportul stiintifico-tehnic la Etapa II/2015 care cuprinde informatii neconfidentiale despre activitatile si rezultatele proiectului.
fise de produs (redactate in limba româna si engleza): (i) Nanopulberi antimicrobiene de oxid de zinc si dioxid de titan dopate cu argint, (ii) Comprimate pentru evaporare termica si acoperiri din nanopulberi antimicrobiene de oxid de zinc si dioxid de titan dopate cu argint si (iii) Tinte de pulverizare si acoperiri din nanopulberi antimicrobiene de oxid de zinc si dioxid de titan dopate cu argint. Capitolul 11. Participarea la manifestari tehnico-stiintifice nationale si internationale din domenii
specifice proiectului In cadrul activitatii A2.11. privind participarea la diferite evenimente stiintifice din domenii specifice
proiectului au fost realizate urmatoarele: participarea in perioada 6-11.07.2015 a Dr. Magdalena V. Lungu (CO), conform Mandatului nr. 1426 din
29.04.2015, la conferinta: „12th International Conference on Nanosciences&Nanotechnologies (NN15-NANOTEXNOLOGY 2015), Thessaloniki, Greece” cu o lucrare poster (cf. Cap. 10);
participarea in data de 8.07.2015 a Dr. M.V. Lungu (CO), conform Mandatului nr. 1426 din 29.04.2015, la evenimentul Matchmaking Event (B2B) organizat in cadrul NANOTEXNOLOGY 2015 Expo, Salonic, Grecia (https://www.b2match.eu/nanotexnology2015/participants/114) si stabilirea de contacte cu personalitati stiintifice din domeniu care pot fi cooptate in parteneriate internationale. Au avut loc intalniri bilaterale cu durata de 20-30 min cu urmatorii specialisti: (1) Eng. Mark Güenter (Melec GmbH, Germany), (2) Prof. Sandra Carvalho (University of Minho, Portugal), (3) Dipl. Eng. Andrew Carroll (EU-Japan Centre for Industrial Cooperation, Belgium), (4) MSc.Dipl.Eng. Fotini Pappa (BL NANOBIOMED, Greece), (5) Prof. Albano Cavaleiro (University of Coimbra, Portugal), (6) Dr. Valery Serbezov (Nanotechplasma Ltd., Bulgaria).
participarea in perioada 24-29.04.2015 a Drd. Irina Gheorghe (P1), conform Mandatului nr. 46 din 16.02.2015, la congresul „The 25th European Congress of Clinical Microbiology and Infectious Diseases” (ECCMID), Copenhaga, Danemarca cu o lucrare poster si o prezentare orala (cf. Cap. 10);
participarea CO in calitate de expozant la Salonul Cercetarii 2015 organizat in cadrul Târgului Tehnic International Bucuresti in perioada 14-17.10.2015. Din partea CO, Dr. M.V. Lungu, Dr. L. Leonat si Dr. V. Tsakiris au participat si prezentat urmatoarele produse si fise de produs (cf. Cap. 10). Capitolul 12. Managementul si coordonarea proiectului Directorul de proiect si Responsabilii de proiect au urmarit permanent ca lucrarile de cercetare-dezvoltare
aferente proiectului sa se realizeze conform Planului de realizare a proiectului, in vederea preintampinarii oricarei disfunctionalitati in activitati. Directorul de proiect si Responsabilii de proiect, impreuna cu Directorul economic/Contabilul fiecarei organizatii participante la proiect au urmarit permanent ca alocarile financiare sa se faca in functie de destinatia prevazuta. Comunicarea intre parteneri s-a efectuat eficient prin e-mail, telefon si intalniri in cadrul proiectului. Elaborarea Raportului de etapa a fost realizata in comun de Directorul de proiect si Responsabilii de proiect, conform activitatilor prevazute in Planul de realizare a proiectului, astfel incat, rezultatele obtinute au fost in concordata cu cele planificate.
Capitolul 13. Concluzii
In Etapa II/2015 a proiectului au fost realizate urmatoarele activitati de cercetare industriala: Au fost elaborate 17 ME de suspensii coloidale de Ag-MeO (ME-S1...ME-S17), din care au fost realizate
15 ME de materiale nanostructurate de pulberi compozite (ME-P1...ME-P15), 14 ME de tinte de pulverizare (ME-T1...ME-T14) si 16 ME de comprimate de pulberi compozite pentru evaporare termica;
17
A fost intocmit un flux tehnologic de realizare materiale nanostructurate si un flux tehnologic de realizare tinte de pulverizare;
Pulberile au fost caracterizate din punct de vedere al morfologiei si marimii particulelor, a compozitiei chimice, densitatii liber varsate prin analize XRF, XRD, SEM si metoda Hall;
Tintele de pulverizare au fost caracterizate din punct de vedere al compozitiei chimice prin analize XRF, densitatii cu balanta hidrostatica, duritatii Vickers (HV) si modulului lui Young prin teste mecanice;
Formarea AgNp pe pulberile de ZnO si TiO2 a fost dovedita prin aparitia rezonantei plasmonului de suprafata a Ag in spectrele de reflectanta in UV-Vis ale pulberilor compozite Ag-MeO;
A fost efectuat un studiu privind investigarea citotoxicitatii a 12 probe de acoperiri de Ag-ZnO si unei probe de otel inox, in scopul optimizarii metodologiei de testare a biocompatibilitatii in raport cu celulele mamaliane in vederea obtinerii unor noi generatii de materiale de acoperire a suprafetelor metalice. Materiale testate prezinta grade diferite de citotoxicitate asupra celulelor MG-63, ce conditioneaza utilizarea lor pentru aplicatii in vivo;
A fost realizat un studiu de testare preliminara prin expunere pe termen scurt a genotoxicitatii a 3 probe de pulberi de Ag-ZnONp cu 0...2,64 % AgNp, in scopul optimizarii metodologiei de testare in vivo a genotoxicitatii materialelor obtinute in cadrul proiectului, dar semnificatia statistica nu este deocamdata relevanta, fiind necesare teste suplimentare;
Activitatea antimicrobiana a materialelor nanostructurate obtinute a fost evaluata impotriva unui spectru larg de bacterii si fungi prin teste calitative si cantitative pentru determinarea concentratiei minime inhibitorie (CMI) si a concentratiei minime de eradicare a biofilmului (CMEB) a materialelor nanostructurate fata de tulpinile bacteriene de testat;
Compusii din Ag-ZnO cu 0...2,64 % AgNp au fost mai eficienti din punct de vedere al bioactivitatii comparativ cu cei din Ag-TiO2, iar activitatea antimicrobiana a fost mai buna asupra tulpinilor Gram-pozitive testate fata de cele Gram-negative;
Au fost efectuate depuneri de straturi subtiri de materiale nanostructurate pe substrat de otel inox pe 2 echipamente de vid prin 2 metode de evaporare: (1) termic cu fascicol de electroni si (2) pulverizare cu magnetron in RF, din care au rezultat 12 ME de acoperiri nanostructurate de Ag-ZnO, ZnO si Ag de grosime 100-1000 nm, depuse pe otel inox;
Au fost intocmite 2 fluxuri tehnologice de realizare acoperiri nanostructurate; Prin realizarea acoperirilor s-a demonstrat functionalitatea comprimatelor de pulberi utilizate la depunerile
prin evaporare termica si a unor tinte de pulverizare utilizate la depunerile prin pulverizare cu magnetron in RF; Probele de acoperiri au fost investigate din punct de vedere al uniformitatii, morfologiei, compozitiei
chimice si dimensiunii de cristalit medie prin analize SEM cu EDX si XRD. Acoperirile au fost uniforme si omogene, cu o buna aderenta a filmelor depuse pe substratul metalic;
A fost evaluata activitatea antimicrobiana pe ME de acoperiri nanostructurate din Ag-ZnO si ZnO si pe substratul din otel inox, utilizand tulpinile S. aureus si P. aeruginosa. Bacteriile nu s-au dezvoltat pe placutele din otel inox acoperite, ci doar pe substratul din otel inox, care a prezentat 26x106 UFC/ml;
A fost elaborata si inregistrata la OSIM o cerere de brevet de inventie; A fost achizitionata partial logistica necesara (materii prime, materiale consumabile, piese de schimb,
terti) pentru realizarea obiectivelor proiectului. A fost elaborat si trimis spre publicare un articol intr-un jurnal ISI cu factor mare de impact; Au fost realizate 3 participari la manifestari tehnico-stiintifice internationale si nationale din domenii specifice
proiectului (conferinta NANOTEXNOLOGY 2015, Salonic, Grecia; congresul ECCMID 2015, Copenhaga, Danemarca, Salonul Cercetarii 2015 din cadrul Târgului Tehnic International Bucuresti, România);
Au fost comunicate 2 lucrari sub forma de postere si o prezentare orala la o conferinta si un congres international, au fost intocmite 2 rapoarte de deplasare si 3 fise de produs (in româna si engleza) si prezentate produse (materiale nanostructurate, comprimate de pulberi compozite pentru evaporare termica si tinte de pulverizare) la Salonul Cercetarii 2015-TTIB, România.
A fost actualizata pagina web a proiectului (http://www.icpe-ca.ro/lib/files/C215.pdf); A fost elaborat raportul de etapa nr. II/2015, in comun de catre partenerii proiectului. A fost realizat eficient managementul si coordonarea proiectului, astfel incat au fost indeplinite activitatile
propuse cu rezultatele preconizate in Planul de realizare a proiectului. Avand in vedere cele de mai sus se considera oportuna continuarea lucrarilor de definitivare cercetare
industriala si dezvoltare experimentala din etapa urmatoare, cu activitati de realizare, caracterizare si certificare prototipuri de materiale si acoperiri nanostructurate, realizarea unor produse finite acoperite, protejarea drepturilor de proprietate industriala, diseminarea pe scara larga a rezultatelor proiectului si a cresterii vizibilitatii internationale a proiectului.
18
Bibliografie [1]. M. Asghar, H. Noor, M.S. Awan, S. Naseem, M.A. Hasan, Post-annealing modification in structural properties of ZnO
thin films on p-type Si substrate deposited by evaporation, Mater. Sci. Semicond. Process., 2008, Vol. 11, pp. 30-35. [2]. C. Karunakaran, V. Rajeswari, P. Gomathisankar, Optical, electrical, photocatalytic, and bactericidal properties of
microwave synthesized nanocrystalline Ag-ZnO and ZnO, Solid State Sciences, Superlattices Microstruct., Vol. 13, No. 5, (2011), pp. 923-928.
[3]. I.S. Kim, E.K. Jeong, D.Y. Kim, M. Kumar, S.-Y. Choi, Investigation of p-type behavior in Ag-doped ZnO thin films by E-beam evaporation, Appl. Surf. Sci., 2009, Vol. 255, pp. 4011-4014.
[4]. A. Schinwald and K. Donaldson, Use of back-scatter electron signals to visualise cell/nanowires interactions in vitro and in vivo; frustrated phagocytosis of long fibres in macrophages and compartmentalisation in mesothelial cells in vivo, Part. Fibre Toxicol., 2012, Vol. 9, 34.
[5]. S. Link, M.A. El-Sayed (2003) Optical properties and ultrafast dynamics of metallic nanocrystals, Annu Rev Phys. Chem, Vol. 54, pp. 331-366, doi: 10.1146/annurev.physchem.54.011002.103759
[6]. F.S. Rosarin, S. Mirunalini (2011) Noble metallic nanoparticles with novel biomedical properties, J. Bioanal. Biomed Vol. 3, No. 4, pp. 085-091, doi: 10.4172/1948-593X.1000049
[7]. D.D. Evanoff Jr, G. Chumanov (2005) Synthesis and optical properties of silver nanoparticles and arrays. ChemPhysChem 6(7):1221-1231, doi: 10.1002/cphc.200500113
[8]. M.A. Noginov, G. Zhu, M. Bahoura, J. Adegoke, C. Small, et. al. (2007) The effect of gain and absorption on surface plasmons in metal nanoparticles. Appl Phys B: Lasers Opt 86(3):455-460, doi: 10.1007/s00340-006-2401-0
[9]. Mie, G. (1908), Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen. Ann. Phys., Vol. 330, pp. 377-445, doi: 10.1002/andp.19083300302.
[10]. W.H. Cho, D.J. Kang, S.G. Kim (2003) Intraparticle structures of composite TiO2/SiO2 nanoparticles prepared by varying precursor mixing modes in vapor phase, J. Mater Sci., Vol. 38, No. 12, pp. 2619-2625, doi: 10.1023/A:1024478417561
[11]. G. Shan, L. Xu, G. Wang, Y. Liu, Enhanced Raman scattering of ZnO quantum dots on silver colloids, J. Phys. Chem. C, 2007, Vol. 111, pp. 3290-3293.
[12]. http://www.imet.de/stahl_1_e.htm, Steel and special steel alloys [13]. H. Declercq, N. Van den Vreken, E. De Maeyer, R. Verbeeck, E. Schacht, L. De Ridder et. al. (2004), Isolation,
proliferation and differentiation of osteoblastic cells to study cell/biomaterial interactions: comparison of different isolation techniques and source, Biomaterials, Vol. 25, pp. 757-68.
[14]. C. Pautke, M. Schieker, T. Tischer, A. Kolk, P. Neth, W. Mutschler, S. Milz (2004), Characterization of osteosarcoma cell lines MG-63, Saos-2 and U-2 OS in comparison to human osteoblasts, Anticancer Res., Vol. 24, Issue 6, pp. 3743-3748.
[15]. ***ISO 10993-5:2009(E) Part. 5. Biological evaluation of medical devices - Part 5:Tests for in vitro cytotoxicity [16]. J.Y. Kwon, P. Koedrith, Y.R. Seo (2014), Current investigations into the genotoxicity of zinc oxide and silica
nanoparticles in mammalian models in vitro and in vivo: carcinogenic/genotoxic potential, relevant mechanisms and biomarkers, artifacts, and limitations, International Journal of Nanomedicine, Vol. 9 (Supp. 2), pp. 271-286.
[17]. ***OECD (2014), Test No. 474: Mammalian Erythrocyte Micronucleus Test, OECD Guidelines for the Testing of Chemicals, Section 4, OECD Publishing, Paris, doi: http://dx.doi.org/10.1787/9789264224292-en
[18]. *** Dir. Cons. 86/609/CEE/24.11.2004, Norma sanitara veterinara privind protectia animalelor utilizate pentru scopuri experimentale si alte scopuri stiintifice.
[19]. T. Polard, S. Jean, G. Merlina, C. Laplanche, E. Pinelli, L. Gauthier (2011), Giemsa versus acridine orange staining in the fish micronucleus assay and validation for use in water quality monitoring, Ecotoxicology and Environmental Safety, Vol. 74 (1). pp. 144-149.
[20]. P.C. Balaure, E. Andronescu, A.M. Grumezescu, A. Ficai, K.S. Huang, C.H. Yang, M.C. Chifiriuc, Y.S. Lin., Fabrication, characterization and in vitro profile based interaction with eukaryotic and prokaryotic cells of alginate-chitosan-silica biocomposite, Int. J. Pharm. 2013, Vol. 441, pp. 555-561.
[21]. C. Limban, M.C. Chifiriuc, Antibacterial Activity of New Dibenzoxepinone Oximes with Fluorine and Trifluoromethyl Group Substituents, Int. J. Mol. Sci., 2011, Vol. 12, pp. 6432-6444.
[22]. T.J. Silhavy, D. Kahne, S. Walker, The Bacterial Cell Envelope, Cold Spring Harb. Perspect. Biol., 2010, Vol. 2, a000414.
[23]. G. Tortora, R.B. Funke, L.C. Case, Microbiology: An Introduction. Addison-Wesley Longman Inc, New York, 2001. [24]. S. Khan, I.A. Qazi, I. Hashmi, M. Ali Awan, Najum-us-Sehar Sadaf Zaidi, Synthesis of Silver-Doped Titanium
TiO2 Powder-Coated Surfaces and Its Ability to Inactivate Pseudomonas aeruginosa and Bacillus subtilis, Journal of Nanomaterials, Vol. 2013, Article ID 531010, 8 pages, 2013, doi:10.1155/2013/531010
19
ANEXE – FISE DE PRODUS
20
21
1
PROGRAMUL PNII - PARTENERIATE IN DOMENII PRIORITARE
Finantare: buget Autoritate contractanta: Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamântului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii (UEFISCDI) Programul: PNII - PARTENERIATE IN DOMENII PRIORITARE Contractor: Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Inginerie Electrica ICPE-CA (INCDIE ICPE-CA) Partener 1: UNIVERSITATEA BUCURESTI, Facultatea de Biologie Partener 2: MGM STAR CONSTRUCT SRL
RAPORT ŞTIINŢIFIC ŞI TEHNIC - ETAPA III/2016 la C215/2014 - Materiale şi acoperiri nanostructurate inovative cu activitate antimicrobiană
pentru aplicaţii medicale (Acronim proiect: INMATCO) Denumirea etapei: Cercetare industriala si dezvoltare experimentala partiala: realizarea si caracterizarea modelelor de materiale si acoperiri nanostructurate, elaborare specificatii tehnice Perioda de derulare a etapei: 19.12.2015 - 23.12.2016 Activităţi / Partenerii implicaţi în realizarea activităţii: A.3.1. Realizarea unor modele experimentale optimizate de materiale nanostructurate / CO, P2 A.3.2. Caracterizarea mecanica, tribologica si electrochimica a modelelor experimentale de acoperiri nanostructurate, studiul grosimii si aderentei stratului/straturilor subtiri de materiale nanostructurate / CO, P2 A.3.3. Studii de citotoxicitate si genotoxicitate pentru evaluarea biocompatibilitatii noilor materiale nanostructurate / P1 A.3.4. Elaborare specificații tehnice materiale nanostructurate si tinte de pulverizare cu activitate antimicrobiana / CO, P1, P2 A.3.5. Elaborare specificatie tehnica acoperiri nanostructurate antimicrobiene / CO, P1, P2 A.3.6. Achizitionarea partiala a logisticii necesare (materii prime, materiale consumabile, piese de schimb, echipamente, terti) pentru realizarea obiectivelor proiectului / CO, P1, P2 A.3.7. Protejarea drepturilor de proprietate intelectuala (pentru dezvoltare industriala) prin elaborarea unei cereri de brevet si inregistrarea acesteia la OSIM / CO, P1, P2 A.3.8. Diseminarea rezultatelor proiectului prin comunicarea si publicarea nationala sau internationala a rezultatelor proiectului si actualizarea paginii web a proiectului / CO, P1, P2 A.3.9. Participarea la manifestari tehnico-stiintifice nationale si internationale din domenii specifice proiectului /CO, P1, P2 A.3.10. Managementul si coordonarea proiectului; Elaborarea raportului de etapa (tehnico-stiintific si financiar) / CO, P1, P2 Rezultate aşteptate: Modele experimentale (ME) de materiale (min. 6) si acoperiri nanostructurate optimizate (min. 6); Studii citologice si biochimice (min. 2); Specificații tehnice materiale nanostructurate (min. 1), tinte de pulverizare (min. 1) si acoperiri nanostructurate (min. 1); O cerere de brevet de inventie inregistrata la OSIM; Min. 2 articole comunicate; 1 articol trimis spre publicare in jurnale ISI; 1 articol publicat intr-un jurnal ISI; Pagina web a proiectului actualizata; Rapoarte de deplasare; Raport de etapa. Colectiv de lucru: CO: INCDIE ICPE-CA Director de proiect: Dr. Ing. Lungu Magdalena Membri CO: Dr. Ing. Enescu Elena Dr. Ing. Patroi Delia Dr. Ing. Lucaci Mariana Dr. Ing. Tsakiris Violeta Dr. Fiz. Cirstea Diana Dr. Fiz. Leonat Lucia Dr. Ing. Bara Adela Dr. Fiz. Sbarcea Gabriela Dr. Ing. Ion Ioana Dr. Chim. Iordoc Mihai Dr. Chim. Barbu Paula Dr. Ing. Talpeanu Dorinel Ing. Bratulescu Alexandra Ing. Mitrea Sorina Ing. Stancu Nicolae Drd. Ing. Grigore Florentina Drd. Marinescu Virgil Drd. Ing. Marin Mihai Drd. Radu Lacramioara Elena Sing. Hajdu Carmen Tehn. Vlad Dorina Munc. Matei Valeria Tehn. Zoicas Doina Munc. Vicol Nicolae Munc. Vicol Ana
P1: UNIVERSITATEA BUCURESTIResponsabil de proiect: Prof. Dr. Chifiriuc Mariana-Carmen Membri P1: Prof. Dr. Mihaescu Grigore Dr. Popa Marcela Dr. Coralia Bleotu Drd. Gheorghe Irina Dr. Ditu Lia Mara Dr. Constantin Nicoleta Dr. Curutiu Carmen Stoica Maria Sarbu Ecaterina Monica
P2: MGM STAR CONSTRUCT SRLResponsabil de proiect: Drd. Fiz. Sobetkii Arcadie Membri P2: Drd. Fiz. Sobetkii A. Arcadii Fiz. Capatana Valentina Ec. Diaconu Corina Daniela Ing. Gritcu Corneliu Visan Mihai, Director general Ec. Visan Emilia Cristina, Director comercial
2
REZUMATUL ETAPEI DE EXECUTIE
In Etapa 3/2016 la proiectul PCCA, Contract nr. 215/2014, derulat in cadrul programului PNCDI II - PARTENERIATE au fost prevazute si indeplinite activitati de cercetare industriala si de dezvoltare experimentala, care vor conduce in etapa urmatoare la elaborarea de noi dispozitive medicale din categoria instrumentelor medicale chirurgicale critice invazive din otel inox functionalizate antimicrobian cu acoperiri nanostructurate de tip straturi subtiri pe baza de Ag-TiO2 sau Ag-ZnO.
Capitolele 3.1. si 3.2. prezinta activitatile A.3.1.-Realizarea unor modele experimentale optimizate de materiale si acoperiri nanostructurate si A.3.2.-Caracterizarea mecanica, tribologica si electrochimica a modelelor experimentale de acoperiri nanostructurate, studiul grosimii si aderentei stratului/straturilor subtiri de materiale nanostructurate, realizate de CO in colaborare cu P2. Au fost elaborate de catre CO 13 ME de suspensii coloidale de Ag-ZnO (ME-S3.1...ME-S3.13), din care au fost realizate 13 ME de materiale nanostructurate de pulberi compozite pe baza de Ag-ZnO (ME-P3.1...ME-P3.13), Pulberile au fost caracterizate din punct de vedere al compoziţiei chimice si dimensiunii medii de cristalit prin analize XRF si XRD. Partenerul P2 a efectuat depunerile de straturi subtiri de materiale nanostructurate pe substrat metalic din otel inox, cu un echipament de vid, prin metoda de evaporare termica cu fascicol de electroni, utilizand 9 tipuri de materiale de depunere. Au fost obtinute 20 loturi (b001...b020) de ME de acoperiri nanostructurate de Ag-TiO2, Ag-ZnO, ZnO si Inconel 600 de grosime 150...700 nm, depuse pe 2...6 tipo-dimensiuni de substrat din otel inox 316L, care apoi au fost tratate termic (TT) si investigate din punct de vedere mecanic, tribologic si electrochimic. Acoperirile au fost uniforme, cu o buna aderenta a filmelor depuse pe substratul metalic. Probele b011 TT, b004 TT si b002 TT au avut cea mai mare rezistenta la zgariere, prezentand forte de adeziune (Lc2) de 7,82... 8,20 N si de coeziune (Lc3) de 12,31...13,49 N. Probele de acoperiri b017 TT, b004 TT, b006 TT, b002 TT, b003 TT, b012 TT si b018 TT au aratat un comportament tribologic foarte bun, avand coeficient mic de frecare (μmediu de 0,151... 0,698) si factor mic de uzura (K de 3,83x10-5...15,3x10-4 mm3/(Nm)). Probele b010 TT, b012 TT, b009 TT, b013 TT si b004...b007 TT au avut un comportament foarte bun la testele electrochimice, avand viteza de coroziune in intervalul 2,05...15,88 µm/an, fiind de circa 3,87...30 de ori mai mica decat viteza de coroziune a substratului din otel inox 316L (61,46 µm/an).
Capitolul 3.3 prezinta activitatea A.3.3.-Studii de citotoxicitate si genotoxicitate pentru evaluarea biocompatibilitatii noilor materiale nanostructurate, realizata de Partenerul P1. Activitatea antimicrobiana a materialelor nanostructurate P3.1...P3.13 si a acoperirilor nanostructurate (b001...b020) a fost evaluata impotriva unui spectru larg de bacterii Gram-negative (E. coli, P. aeruginosa) si Gram-pozitive (S. aureus, E. faecalis) si fungi (C. albicans). Rezultatele au evidentiat o activitate antimicrobiana buna a materialelor P.3.1, P.3.2, P.3.3. si P.3.4 si a straturilor subtiri depuse pe otel inox 316L, in special cele din Ag-TiO2, fata de speciile microbiene mentionate, demonstrand potentialul acestora de a fi utilizate in aplicatii din domeniul biotehnologic, industrial si biomedical. A fost efectuat un studiu privind investigarea citotoxicitatii materialelor nanostructurate pe baza de pulberi compozite Ag-ZnO (P3.1...P3.13) si a acoperirilor pe baza de Ag-TiO2, Ag-ZnO, ZnO, Inconel 600 (b001...b009) si substrat de otel inox. Materiale testate prezinta grade diferite de citotoxicitate asupra celulelor MG63, ce conditioneaza utilizarea lor pentru aplicatii in vivo. A fost realizat un studiu de genotoxicitate pentru 2 probe de pulberi selectate de Ag-ZnONp (P3.1 si P3.4). S-a evidentiat un potential genotoxic scazut al Ag-ZnONp, comparativ cu controlul, rezultat pozitiv cu implicatii benefice in utilizarea acestor Np in domenii tehnico-medicale.
Capitolul 3.4. descrie activitatile A.3.4.-Elaborare specificații tehnice materiale nanostructurate si tinte de pulverizare cu activitate antimicrobiana si A.3.5.-Elaborare specificatie tehnica acoperiri nanostructurate antimicrobiene. Au fost intocmite 3 specificatii tehnice pentru (i) materiale nano si microstructurate pe baza de pulberi compozite de Ag-TiO2, (ST 111/29.11.2016) (ii) tinte de pulverizare pe baza de Ag-TiO2 (ST 112/29.11.2016) si (iii) acoperiri nanostructurate pe baza de Ag-TiO2 cu activitate antimicrobiana (ST 113/29.11.2016).
Capitolele 3.5.-3.9. prezinta activitatile A.3.6-Achizitionarea partiala a logisticii necesare (materii prime, materiale consumabile, piese de schimb, echipamente, terti) pentru realizarea obiectivelor proiectului, A.3.7.-Protejarea drepturilor de proprietate intelectuala (pentru dezvoltare industriala) prin elaborarea unei cereri de brevet si inregistrarea acesteia la OSIM, A.3.8.-Diseminarea rezultatelor proiectului prin comunicarea si publicarea nationala sau internationala a rezultatelor proiectului si actualizarea paginii web a proiectului, A.3.9.-Participarea la manifestari tehnico-stiintifice nationale si internationale din domenii specifice proiectului si A.3.10.-Managementul si coordonarea proiectului; Elaborarea raportului de etapa (tehnico-stiintific si financiar). In cadrul acestor activitati, printr-un management eficient partenerii proiectului au elaborat si depus la OSIM o cerere de brevet de inventie, au achizitionat o parte din logistica necesara, cum ar fi un Sistem Calotest pentru determinarea grosimii straturilor subtiri, un microscop Carl Zeiss, un software VWGA-589 pentru determinarea largimii energetice a benzii interzise pentru materialele si acoperirile din Ag-ZnO si Ag-TiO2 si au elaborat raportul de etapa, a fost actualizata pagina web a proiectului, a fost elaborat, trimis spre publicare si publicat un articol in jurnalul ISI Materials Characterization (Elsevier, ISSN 1044-5803, FI/2015=2,383, SRI/2016=3,463), au fost realizate 3 participari la manifestari tehnico-stiintifice internationale din domenii specifice proiectului (conferinta 10th International Conference on Photoexcited Processes and Applications, ICPEPA-10, Aug. 29-Sept. 2, 2016, Brasov, Romania si manifestarea „Vilnius International Summit on Communicable Diseases”, June 26-July 1, 2016, Vilnius, Lituania), au fost comunicate 4 lucrari sub forma de postere la cele 2 manifestari si au fost publicate 5 abstracte in Book of Abstracts.
In urma indeplinirii activitatilor A.3.1-A.3.10. s-au obtinut urmatoarele rezultate: 13 ME de suspensii coloidale de Ag-ZnO; 13 ME de materiale nanostructurate de pulberi compozite Ag-ZnO; 20 ME de acoperiri nanostructurate din Ag-TiO2, Ag-ZnO, ZnO si Inconel 600; un studiu de evaluare a activitatii antimicrobiene a unor materiale si acoperiri nanostructurate selectate; un studiu de citotoxicitate; un studiu de genotoxicitate; 3 specificații tehnice; o cerere de brevet de inventie inregistrata la OSIM; 3 participari la manifestari tehnico-stiintifice internationale din domenii specifice proiectului; 4 lucrari (postere) comunicate si 5 abstracte publicate in Book of Abstracts; un articol publicat in jurnalul ISI Materials Characterization (Elsevier, ISSN 1044-5803, FI/2015=2,383, SRI/2016=3,463); pagina web a proiectului actualizata pe site-ul CO si crearea unei pagini web a proiectului pe ResearchGate; raportul de etapa.
Avand in vedere cele de mai sus se considera oportuna continuarea lucrarilor de definitivare dezvoltare experimentala din etapa urmatoare, cu activitati de realizare, caracterizare si certificare prototipuri de materiale si acoperiri nanostructurate si prototipuri de tinte de pulverizare, realizarea unor produse finite acoperite, diseminarea pe scara larga a rezultatelor proiectului si cresterea vizibilitatii internationale a proiectului.
3
DESCRIEREA ŞTIINŢIFICĂ ŞI TEHNICĂ
Scopul Etapei 3/2016 a fost elaborarea unor modele experimentale (ME) optimizate de materiale si acoperiri nanostructurate, caracterizarea mecanica (studiul grosimii si aderentei stratului/straturilor subtiri), tribologica (determinarea coeficientului de frecare si a factorului de uzura) si electrochimica (determinarea vitezei de coroziune) a ME de acoperiri nanostructurate, realizarea unor studii de citotoxicitate si genotoxicitate pentru evaluarea biocompatibilitatii noilor materiale nanostructurate, elaborarea a trei specificații tehnice pentru (i) materiale nanostructurate, (ii) tinte de pulverizare si (iii) acoperiri nanostructurate antimicrobiene, protejarea drepturilor de proprietate intelectuala prin elaborarea unei cereri de brevet de inventie inregistrat la OSIM si diseminarea pe scara larga a rezultatelor proiectului prin comunicarea si publicarea nationala sau internationala a rezultatelor proiectului, actualizarea paginii web a proiectului si participarea la manifestari tehnico-stiintifice nationale si internationale din domenii specifice proiectului.
Capitolul 3.1. Realizarea unor ME optimizate de materiale si acoperiri nanostructurate 3.1.1. Realizarea ME optimizate de materiale nanostructurate 3.1.1.1. Materiale folosite: nanopulbere de ZnO (ZnONp, würtzită, 99,5 %), azotat de argint (AgNO3 p.a.,
cristalizat, min. 99,9%, Safina), agenti de reducere si de stabilizare, apa bidistilata (conductivitatea electrica de 5 S la 25°C, pH = 5,5).
3.1.1.2. Mod de lucru si echipamente folosite: ME de materiale nanostructurate pe baza de Ag-ZnO s-au
obtinut de catre CO prin sinteza chimica in situ a AgNp prin reducerea Ag+ din solutii apoase de AgNO3 cu un reducator slab de tip polielectrolit (PE) anionic care are rol si de stabilizator electrostatic, in care se afla dispersate ZnONp, urmata de reducerea finala a Ag+ cu un agent de reducere (AR). In acest scop s-a utilizat o instalatie de sinteza chimica in mediu apos alcatuita dintr-un vas de reactie tip Berzelius cu volum de 5000 mL, agitator mecanic tip RZR 2021 (Heidolph) si plita de incalzire (Velp).
3.1.1.3. Rezultate obţinute: In Tabelul 3.1 se prezinta ME de suspensii coloidale de Ag-ZnO elaborate
prin sinteza chimica (ME-S3.1...ME-S3.13) si de ME de materiale nanostructurate de pulberi compozite de Ag-ZnO (ME-P3.1...ME-P3.13) cu un continut masic de 0,16...1,04 % AgNp realizate din aceste suspensii.
Tabelul 3.1. ME de suspensii coloidale de Ag-ZnO elaborate prin sinteza chimica si de ME de materiale nanostructurate de pulberi compozite de Ag-ZnO realizate din aceste suspensii.
ME de materiale nanostructurate elaborate au fost analizate din punct de vedere biologic, conform testelor
descrise in Capitolul 3.3., in vederea selectarii ME optime, cu cele mai bune proprietati antimicrobiene.
4
3.1.2. Realizarea ME optimizate de acoperiri nanostructurate 3.1.2.1. Materialele pentru evaporare folosite: Modelele functionale (MF)
de comprimate pentru evaporare termica cu dimensiunile Ø8 mm x h2-3,5 mm au fost realizate de CO prin tehnici ale metalurgiei pulberilor din materiale nano si microstructurate pe baza de pulberi compozite de Ag-ZnO si Ag-TiO2 cu 0,47...2,64 % AgNp elaborate in etapa anterioara a proiectului si pulberi comerciale de ZnONp (Metall Rare Earth Ltd., China) si selectate pentru depuneri (P1.2 Ag-ZnONp (AC-A), P1.5 AgZnONp (AC-C), P1.11 ZnONp, P2.1 Ag-ZnONp (AM-A), P2.2 Ag-ZnONp (AC-A), P2.3. Ag-ZnOMp (AC-A), P2.4. Ag-TiO2Mp (AM-A), P2.5. Ag-TiO2Np (AC-A). Pentru stratul intermediar s-a folosit la depuneri sarma de Inconel 600 (Umicore, Germania) cu Ø1 mm. Substratul din otel inox marca 316L a fost executat de P2 in 6 tipo-dimensiuni: Ø25 mm x 1 mm, Ø10 mm x 1 mm, Ø8 mm x 1 mm, 20 mm x 30 mm x 1 mm, 8 mm x 8 mm x 1 mm, 5 mm x 5 mm x 1 mm. Substratul de otel a fost polizat luciu oglinda pe fata pe care s-a realizat depunerea in strat subtire (Fig. 3.1).
Fig. 3.1. Substrat din otel
inox 316L.
3.1.2.2. Mod de lucru si echipamente folosite: Partenerul P2 a efectuat ME de acoperiri nanostructurate de tip straturi subtiri de grosime 500 nm, cu sau fara un strat subtire intermediar din Inconel 600, depuse pe substrat din otel inox 316L cu o instalatie de vid Balzers BAK-600 dotata cu un sistem de monitorizare rata de depunere si grosime strat depus cu cuart XTC INFICON prin evaporare termica cu fascicol de electroni, conform Instructiunii Tehnologice IT 0111/2016 elaborata de P2 prin Drd. Fiz. Sobetkii Arcadii si Drd. Fiz. Sobetkii Arcadie. Acoperirile nanostructurate (Fig. 3.2) au fost predate de P2 Coordonatorului proiectului, care a efectuat un tratament termic (TT) al loturilor de probe acoperite.
Fig. 3.2. Probe de acoperiri livrabile
(b010...b013).3.1.2.3. Rezultate obţinute In Fig. 3.3 se prezinta ME de acoperiri nanostructurate (loturi codificate b001...b020) realizate prin
evaporare termica cu fascicol de electroni.
Fig. 3.3. Aspectul unor acoperiri nanostructurate TT: (a) b004, (b) b005, (c) b006, (d) b012. Acoperirile elaborate (b001...b020) au un aspect uniform, fara incluziuni straine. Culoarea acoperirilor a
fost influentata de continutul de Ag din materialele compozite, precum si de grosimea stratului depus. Capitolul 3.2. Caracterizarea mecanica, tribologica si electrochimica a ME de acoperiri
nanostructurate, studiul grosimii si aderentei stratului/straturilor subtiri de materiale nanostructurate 3.2.1. Materiale folosite: ME de acoperiri nanostructurate elaborate in Etapa 3/2016 a proiectului. 3.2.2. Mod de lucru si echipamente folosite: Acoperirile nanostructurate au fost caracterizate din punct
de vedere mecanic (determinarea fortelor critice la zgariere, a aderentei si grosimii filmelor subtiri) si tribologic (determinarea coeficientului de frecare si al factorului de uzura) pe probe TT si electrochimic (determinarea rezistentei la coroziune) pe probe NT si TT.
c)a) b) d)
5
(i) Caracterizarea mecanica a probelor TT s-a realizat prin teste de zgariere cu un echipament Micro-Combi Tester (CSM Instruments, Elvetia), dotat cu modul de microzgariere (MCTX) cu varf Rockwell de diamant cu raza de 200 m si cu microscop optic cu obiective 5x, 20x, 50x si 100x (Fig. 3.4), conform standardelor ASTM C1624-05 (2015) [3.1], DIN EN 1071-3:2005-10 [3.2] si SR EN ISO 20502:2016 [3.3]. Testele de zgariere au constat in determinarea fortelor critice (Lc), adica a sarcinilor celor mai mici la care apar defecte recunoscute in probele de acoperiri investigate. Fortele critice s-au determinat din curbele inregistrate si din imaginile achizitionate prin analiza optica (20x) cu optiunea Panorama a software-ului de achizitie a datelor.
Fig. 3.4. Echipament Micro-Combi Tester utilizat la testele
de zgariere.
(ii) Studiul grosimii straturilor subtiri s-a realizat cu un sistem Calotest Compact (Anton Paar, Elvetia) (Fig. 3.5), conform standardului SR EN ISO 26423:2016 [3.4], prin metoda „ball cratering”, pe probe de acoperiri TT depuse pe substrat de otel inox 316L. In acest scop stratul depus a fost erodat cu o sfera (bila de otel), pe care s-a aplicat o suspensie abraziva, bila fiind rotita cu un arbore de antrenare din otel. In urma procesului de frecare abraziva dintre bila si suprafata probei acoperite rezulta o adancitura (crater) de uzare sub forma de calota sferica, atat in strat cat si in substrat. Craterul format a fost analizat optic la microscopul atasat echipamentului Micro-Combi Tester (obiectiv 5x), astfel incat prin observarea cercurilor concentrice, cercul interior reprezentand substratul, iar celelalte cercuri concentrice exterioare reprezentand straturile subtiri depuse (Fig. 3.6), prin software-ul echipamentului, optiunea Calotest s-a determinat grosimea stratului (t) ca fiind: t = x*y/(2R) (iii) Testele tribologice au fost realizate conform standardelor ASTM G99-05 (2016) [3.5] si SR EN 1071-13:2010 [3.6], cu un tribometru standard de tip bila pe disc, echipat cu modul rotativ (CSM Instruments, Elvetia) (Fig. 3.7), in care a fost pozitionata proba TT cu acoperire depusa pe substrat de otel. Deformarea partenerului static (bila stationara de otel 100Cr6) a fost masurata cu un senzor pentru sarcina aplicata, fiind înregistrată ca forta tangentiala (Ft). Coeficientul de frecare (µ) la alunecare s-a calculat ca fiind raportul dintre forta tangentială (Ft) si forta normala (Fn): µ = Ft/Fn
Factorul de uzura, K [mm3/(Nm)] pentru probele de acoperiri s-a determinat cu software-ul specific de comanda, achizitie si prelucrare de date al tribometrului, prin masurarea volumului de material indepartat prin normalizarea acestuia la sarcina aplicata si distanta parcursa in timpul testului tribologic, conform relatiei:
K = V/(Fn.L) [mm3/(Nm)],
unde V [mm3] = volumul de material pierdut (dislocat) în timpul desfasurarii testului tribologic; V = produsul dintre aria urmei de uzura si lungimea circumferintei urmei de uzura, Fn [N] = forta normala aplicata; L [m] = distanta de alunecare.
Aria urmei de uzura [µm2] s-a determinat cu un profilometru Surtonic S25 (Taylor Hobson, UK) cu vârf standard din diamant cu raza de 5 m (Fig. 3.7), pentru o lungime de evaluare a probei de 4 mm si o lungime de unda de prag (Cut-off) de 0,8 mm, utilizand un filtru Gaussian digital.
Fig. 3.5. Sistemul Calotest utilizat la studiul grosimii acoperirilor.
Fig. 3.6. Principiul metodei „ball cratering”.
Fig. 3.7. Tribometru bila pe disc si profilometru Surtronic S25.
6
(iv) Caracterizarea electrochimica a probelor s-a realizat conform standardului ASTM G 102-89 (2015) [3.7], pe probe selectate de acoperiri nanostructurate netratate termic (NT) sau tratate termic (TT) si pe substrat din otel inox 316L, utilizand un echipament potentiostat/galvanostat model PGZ 301 VoltaLab 40 (Radiometer Analytical, Franta) conectat la calculator prin interfata grafica VoltaMaster 4 (Fig. 3.8), conectat la o celulă standard cu 3 electrozi,; electrodul de referinţă a fost un electrod de calomel saturat (Ag/AgCl), contraelectrodul a fost un electrod de platină, iar electrodul de lucru a fost proba testata (acoperire nanostructurata NT sau TT, respectiv proba din otel inox 316L). Ca electrolit a fost aleasa solutia Ringer (1000 mL soluţie perfuzabilă conţin: clorură de potasiu 0,3 g, clorură de calciu dihidrat 0,33 g şi clorură de sodiu 8,6 g)
Fig. 3.8. Potentiostat/galvanostat VoltaLab 40 conectat la calculator
prin interfata grafica VoltaMaster 4.
Rezistenta la polarizare, Rp (kΏ*cm2) si viteza de coroziune, Vcor (µm/an) s-au determinat prin metoda extrapolarii dreptelor Tafel din curbele de polarizare potentiodinamica.
3.2.3. Rezultate obţinute Tabelul 3.2. si Fig. 3.9...3.11 prezinta rezultatele testelor de zgariere ale unor ME de acoperiri
nanostructurate, si anume: imaginile optice (Panorama) ale profilului topografic al suprafetelor probelor acoperite, curbele inregistrate in timpul testelor de zgariere, valorile fortelor critice: Lc1 - inceputul desprinderilor interfaciale, cu defecte minore longitudinale (tensiuni Hertziene) ale acoperirilor la marginile urmei de zgariere, Lc2 (forta de adeziune) - desprinderi interfaciale de-a lungul marginilor urmei de zgariere cu perforare ductila continua a acoperirii, fara expunerea substratului din otel inox, Lc3 (forta de coeziune) - exfoliere totala a stratului de acoperire nanostructurata, cu expunerea substratului din otel inox sau a stratului intermediar din Inconel 600, valorile latimii urmei de uzura: Δi - la inceputul urmei de zgariere, Δm - la mijlocul urmei de zgariere si Δc - la capatul urmei de zgariere. Tabelul 3.2. Rezultatele testelor de zgariere ale unor ME de acoperiri nanostructurate TT.
Fig. 3.9. Imagine optica (20x) a latimii urmei de uzura Δi pentru
proba b004 TT.
Fig. 3.10. Imagine optica (20x) a
latimii urmei de uzura Δi pentru proba b004 TT.
Fig. 3.11. Imagine optica (20x)
a latimii urmei de uzura Δi pentru proba b004 TT.
Pe baza rezultatelor obtinute in urma testelor de zgariere a acoperirilor se constata ca probele b011, b004,
si b002 au cea mai mare rezistenta la zgariere, prezentand forte de adeziune (Lc2) de 7,82... 8,20 N si de coeziune (Lc3) de 12,31... 13,49 N.
7
Fig. 3.12 prezinta imaginile optice (5x) ale calotelor sferice de uzura pentru probe de acoperiri nanostructurate testate cu sistemul Calotest Compact pentru determinarea grosimii stratului subtire. Se observa faptul ca grosimea straturilor subtiri determinata prin metoda „ball cratering” este in concordanta cu grosimea stratului depus monitorizat cu sistemul cu cuart XTC INFICON, aferent instalatiei de depunere in vid Balzers BAK-600.
Fig. 3.12. Imagini optice (20x) ale calotelor sferice de uzura pentru probe de acoperiri nanostructurate testate cu sistemul Calotest Compact: (a) b004 TT, (b) b013 TT, (c) b019 TT.
Fig. 3.13 prezinta aspectul probelor testate tribologic in mediu uscat cu partener static: bila din otel
100Cr6 cu Ø6 mm (raze de alunecare de 4 mm, 6 mm, 8 mm si 10 mm si distante de alunecare de 10 m, 50 m, 100 m si 200 m).
Fig. 3.14, respectiv Fig. 3.15 prezinta variatia coeficientului de frecare, functie de distanta de alunecare, respectiv imaginea profilului si aria urmei de uzura determinata cu profilometrul, pentru proba b004 TT.
Probele de acoperiri nanostructurate care au prezentat un comportament tribologic foarte bun, avand coeficient mic de frecare (μmediu) si factor mic de uzura (K) sunt dupa cum urmeaza: b017 TT (μmediu de 0,177...0,421, K de 3,83x10-5...16,88x10-5 mm3/(Nm)), b004 TT (μmediu de 0,202...0,559, K de 5,56x10-5...69,20x10-5 mm3/(Nm)), b006 TT (μmediu de 0,151...0,333, K de 16,97x10-5...98,96x10-5 mm3/(Nm)), b002 TT (μmediu de 0,431...0,580, K de 11,72x10-5...26,57x10-5 mm3/(Nm)), b003 TT (μmediu de 0,253...0,591, K de 7,81x10-5...40,95x10-5 mm3/(Nm)), b012 TT (μmediu de 0,300...0,684, K de 35,2x10-5...68,35x10-5 mm3/(Nm)) si b018 TT (μmediu de 0,193...0,698, K de 38,56x10-5...15,3x10-4 mm3/(Nm)).
a) b) c)
Fig. 3.13. Aspectul probelor testate
tribologic. Fig. 3.14. Variatia coeficientului de frecare,functie de distanta de alunecare pentru proba b004 TT:
(a) R = 4 mm, d = 10 m, (b) R = 6 mm, d = 50 m, (c) R = 8 mm, d = 100 m, (d) R = 10 mm, d = 200 m.
Fig. 3.15. Imaginea profilului si aria urmei de uzura
determinata cu profilometrul, pentru proba b004 TT: (a) R = 4 mm, d = 10 m, (b) R = 6 mm, d = 50 m, (c) R = 8 mm, d = 100 m,
(d) R = 10 mm, d = 200 m.
a) b)
c) d)
a)
c) d)
b)
8
Fig. 3.16 si Fig. 3.17 prezintă curbele de polarizare potentiodinamica, respectiv aspectul unor probe
testate in electrolit Ringer.
Fig. 3.16. Curbele de polarizare potentiodinamica ale probelor testate in electrolit Ringer
Probele b010 TT, b012 TT, b009 TT, b013 TT si b004...b007 TT au aratat un comportament foarte bun
la testele electrochimice, avand viteza de coroziune in intervalul 2,053...15,88 µm/an, fiind de circa 3,87...30 de ori mai mica decat viteza de coroziune a substratului din otel inox 316L (61,46 µm/an), fapt ce demonstreaza utilitatea functionalizarii substratului din otel inox cu acest tip de acoperiri nanostructurate.
Capitolul 3.3. Studii de citotoxicitate si genotoxicitate pentru evaluarea biocompatibilitatii noilor
materiale nanostructurate 3.3.1. Testarea activitatii antimicrobiene a pulberilor In acest studiu s-a evaluat activitatea antimicrobiană a pulberilor conditionate sub forma de pastile
codificate P3.1...P3.13 fata de 5 tulpini bacteriene și fungice planctonice și aderate. Activitatea antimicrobiana a pulberilor obținute a fost testata față de bacterii Gram-negative (E. coli ATCC 8739, P. aeruginosa ATCC 27853), si Gram-pozitive (S. aureus ATCC 6538, E. faecalis ATCC 29212) si fungi (C. albicans ATCC 10231). S-au utilizat suspensii microbiene cu densitate de 1,5x108 CFU/mL (0,5 McFarland) obtinute din culturi bacteriene de 15-18 h dezvoltate pe mediul solid. Pulberile au fost suspensionate in dimetilsulfoxid (DMSO) pentru obtinerea unei solutii stoc de concentratie 5 mg/mL.
Testarea calitativa a activitatii antimicrobiene s-a realizat prin metoda difuzimetrica adaptata, constand in depunerea pastilei ca atare pe mediu Muller Hinton insamantat in prealabil in panza cu tulpina microbiana de testat.
Testarea cantitativa a activitatii antimicrobiene a fost realizata prin metoda microdilutiilor in mediu lichid in placi cu 96 godeuri. S-au realizat dilutii seriale binare ale compusilor (de la 5000 μg/mL pana la 9,76 μg/mL) in 200 μL bulion, iradiate 30 min la UV-C (100-290 nm) si respectiv VIS, utilizand un flux laminar germicid si lampi de iluminat, apoi fiecare godeu a fost insamantat cu 50 μL inocul microbian. Plăcile au fost incubate timp de 24 h la 37°C, iar valorile concentrației minime inhibitorii (CMI) au fost stabilite ca fiind corespunzatoare celei mai mici concentrații a compusului testat care a inhibat creșterea culturilor microbiene, comparativ cu martorul pozitiv, relevată printr-o valoare scăzuta a absorbanței la 600 nm (Apollo LB 911 cititor ELISA) 3.8].
b007 TT
Fig. 3.17. Aspectul probelor testate electrochimic in electrolit Ringer.
b006 NT
b004 NT b004 TT
b008 TT
9
Pentru evaluarea influenței suspensiilor testate asupra capacității tulpinilor microbiene de a coloniza substratul inert s-a utilizat metoda microtitrarii. Microplăcile utilizate pentru testare CMI au fost golite și spălate de trei ori cu tampon fosfat salin. Biofilmul format pe peretele godeului de plastic a fost fixat 5 min cu metanol rece, colorat timp de 15 min cu o soluție de cristal violet și resuspendat cu o soluție 33% de acid acetic glacial. Densitatea celulară a fost măsurată prin citirea densității optice a soluției colorate la 490 nm. Concentrația minimă de eradicare biofilm (CMEB) au fost considerata ca fiind cea mai mică concentrație a compusului testat care a inhibat dezvoltarea biofilmului in godeurile plăcii [3.9].
Rezultate obţinute
Activitatea antibiofilm a substantelor testate a fost superioara celei exercitate asupra celulelor in stare
planctonica, inregistrandu-se valori CMEB sub 2 mg/mL fata de 3 din cele 5 tulpini microbiene, respectiv P. aeruginosa, C. albicans si S. aureus (Fig. 3.20). Cele mai eficiente substante cu activitate antibiofilm au fost P.3.1, P.3.2, P.3.3. si P.3.4.
Analiza calitativa a activitatii antimicrobiene a aratatfaptul că tulpinile de S. aureus, P. aeruginosa si E. coli au fost mai sensibile decat cele de E. faecalis si C. albicans (Fig. 3.25) la substantele testate. In functie dediametrul zonei de inhibitie, s-a observat că cele maiactive substante, care au generat cele mai mari zone deinhibitie au fost P3.4, P3.1, P3.9, P3.12. și P3.11 (Fig. 3.18).
Analiza cantitativa a activitatii antimicrobiene arelevat o buna activitate antifungica a majoritatiipulberilor testate, cu valori mai mici de 2 mg/mL pentrutoate combinatiile testate cu exceptia probelor P.3.1 siP 3 11 (Fi 3 19) P t l l lt ii i bi
Fig. 3.19. Reprezentarea grafica avalorilor CMI (mg/mL) ale pulberilor
testate fata de tulpinile de: (a) C. albicans, (b) E. coli,
(c) P. aeruginosa, (d) S. aureus, (e) E. faecalis.
a) b) c)
d) e)
Fig. 3.20. Reprezentarea grafica
a valorilor CMEB (mg/mL) ale pulberilor testate fata de tulpinile de: (a) P. aeruginosa,
(b) C. albicans, (c) S. aureus, (d) E. coli, (e) E. faecalis.
a) b) c)
d) e)
Fig. 3.18. Reprezentarea grafica a zonelorde inhibitie a cresterii microbiene
produse de substantele testate.
10
3.3.2. Testarea citotoxicitatii substantelor asupra celulelor eucariote s-a realizat astfel: Un inocul de
5x105 celule HCT8 au fost însămânţate în placi cu 24 de godeuri, în mediu DMEM (Dulbecco's Modified Eagle Medium) (Sigma) suplimentat cu 10% ser fetal de viţel (Sigma) și 100 µg/mL substanta de testat si s-au incubat la 37°C, într-o atmosferă umedă, cu 5% CO2. La 24 de ore s-a analizat morfologia celulelor aderate, care au fost fotografiate utilizand microscopul inversat Zeiss Observer D1 (Fig. 3.21). Rezultatele obtinute au aratat ca substantele testate au fost citotoxice la concentratia testata, determinand desprinderea monostratului si afectarea morfologiei celulare (Fig. 3.21).
3.3.3. Evaluarea genotoxicitatii probelor abreviate P3.1 si P3.4, selectate datorita activitatii bune
antimicrobiene si antibiofilm. In urma verificarii si optimizarii metodologiei de analiza realizata in etapa anterioara, s-a ales testarea pe model mamalian in vitro (culturi de limfocite din sange periferic uman) si in vivo (maduva osoasa murina).
In ultima decada, domeniul identificarii, testarii si evaluarii capacitatii genotoxice a compusilor chimici si mai ales a nanomaterialelor a fost imbunatatit considerabil datorita efortului colaborativ al comunitatii stiintifice. S-au realizat numeroase studii comparative privind variatiile in protocoalele de testare [3.10], timpul de expunere al materialului de testat in cultura celulara [3.11], precum si alegerea liniilor celulare [3.11], [3.12]. In anul 2010 OEDC (Organisation for Economic Co-operation and Development) a elaborat un ghid metodologic pentru testarea si evaluarea capacitatii genotoxice a substantelor. Acest ghid este revizuit si actualizat in fiecare an. Conform OEDC, testul de micronucleatie in vitro [3.13] este recomandat ca un test de baza pentru evaluarea si caracterizarea capacitatii genotoxice a agentilor chimici/farmaceutici. Este utilizat in scopul detectarii micronucleilor in citoplasma celulelor interfazice. Micronucleii sunt fragmente cromozomale acentrice (fara centromer) sau cromozomi intregi incapabili de a migra la unul din cei doi poli ai celulei in timpul anafazei mitotice. Acest test detecteaza activitatea clastogenica si aneugenica a a unor agenti chimici, in celule care au parcurs diviziunea celulara in timpul sau dupa expunerea la substanta de testat.
Prin intermediul testului de micronucleatie in vitro (MNvit) se poate determina rapid frecventa leziunilor cromozomale precum si a perturbarilor in desfasurarea ciclului celular produse de un agent chimic (care este testat). Acest test a castigat mai multa popularitate fata de testul detectarii aberatiilor cromozomale (CAAT) deoarece este mult mai fezabil, usor de realizat, rapid si mai sensibil in detectarea leziunilor subtile provocate de agentii aneugeni si clastogeni.Testul de micronucleatie in vivo pe model mammalian (Mammalian Erythrocyte MN Test) [3.14] este un test standardizat utilizat pentru detectarea leziunilor cromozomale, precum si a perturbarilor in desfasurarea ciclulul celular, in special a fazei mitotice, produse de un compus chimic (care este testat). Aceste modificari sunt studiate prin analiza celulelor hematopoetice prelevate din maduva osoasa si/sau sange periferic prelevat de la animale, in special rozatoare [3.15]. Testul de micronucleatie in vivo este relevant pentru evaluarea potentialului mutagen al unor substante deoarece sunt luati in considerare si factorii metabolici, farmacokinetici, precum si capacitatea de reparare a ADN.
(1) Testul MNvit a fost realizat conform recomandarilor OECD 487. S-au realizat culturi de limfocite
umane. Sangele periferic a fost recoltat de la un individ de sex feminin de varsta medie, sanatos care nu a fost expus recent la agenti genotoxici (substante chimice, radiatii ionizante, infectii bacteriene/virale). Pentru
Fig. 3.21. Imagini de microscopie inversata a monostratului celular
HCT-8 dezvoltat in prezenta substantelor de testat (control de
monostrat celular Hep-2 si probe P3.11-P3.13).
P3.13 P3.12P3.11 P3.10
P3.9P3.8 P3.6 P3.7P3.5
P3.4P3.3 P3.2P3.1 Control
11
fiecare tip de proba (P3.1 si P3.4) au fost utilizate trei concentratii de Ag-ZnONp: 1,5 mg/mL; 2,5 mg/mL si 5 mg.mL. Aceste concentratii au fost alese in functie de activitatea antimicrobiana a acestora, respectiv valorile CMI si CMEB. Analiza MNvit a fost realizata utilizand un control negativ (fara administrarea in cultura a Np). Fiecare proba a fost realizata in duplicat. Analiza preparatelor microscopice s-a realizat la microscopul Olympus BX40.
(2) Testul MN in vivo assay s-a realizat conform recomandarilor OECD 474. Ca organism mamalian
model a fost ales soarecele (Mus musculus). Animalele au fost expuse la substantele de testat prin injectie intraperitoneala a cate 500 µL din solutia stoc de 5 µg/mL in Tampon Fosfat Salin - TFS) in trei administrari la interval de 72 ore. Pentru prelevarea probelor biologice animalele au fost sacrificate conform recomandarilor Consiliului European (86/609/CEE/24.11.2004) referitoare la protectia animalelor utilizate in scop experimental si stiintific. Au fost utilizate exemplare adulte de soarece (cu greutate 20-25 g). Probele au fost notate astfel: Grup Control – Animale din grupul injectat cu TFS; Grup P3.1 – animale injectate cu proba P3.1 suspendata in TFS; Grup P3.4 – animale injectate cu proba P3.4 suspendata in TFS; Coloratia Giemsa din celule apartinand maduvei osoase. Soarecii au fost sacrificati la 24 h dupa admistrarea celei de-a treia doze. Celulele apartinand maduvei osoase au fost prelevate de la nivelul femurului si preparate conform metodelor standard. Analiza preparatelor microscopice s-a efectuat la Microscopul Olympus BX40.
Analiza proliferarii celulare: Culturile realizandu-se fara cytochalasin B (cytoB- inhibitor al polimerizarii actinei) a fost necesara masurarea indicelui RICC (Relative Increase in Cell Count) astfel incat sa se demonstreze faptul ca celulele din cultura au parcurs diviziunea celulara, excluzand astfel rezultatele fals negative (Tabelul 3.3).
Analiza incidentei micronucleilor Pentru concentratia de 5 mg/mL nu a putut fi calculata incidenta MN (Tabelul 3.4), deoarece materialul
genetic a suferit leziuni drastice, fiind des intalnite pulvelizari ale nucleilor/cromozomilor, nuclei atipici, deformati cu numeroase fragmente acentrice unele dintre acestea fiind legate prin punti de cromatina. Aceste efecte sunt rezultatul faptului ca nanoparticulele au precipitat formand agregate si realizand legaturi directe cu ADN au actionat sinergic determinand modificari drastice in calitatea si integritatea ADN.
Tabelul 3.4. Analiza frecventei micronucleilor in functie de concentratia in mediu de cultura si de metoda de obtinere a Np (Evaluarea s-a realizat prin media frecventei MN la 1000 nuclei pentru cele doua replici)
Tipul Np Concentratia NP in mediu de cultura 1,5 mg/mL 2,5 mg/mL 5 mg/mL
P3.1 7,5‰ 21,8‰ - P3.4 8,8‰ 30,9‰ -
Control negativ 5,2‰
Analiza incidentei MN pentru concentratia de 2,5 mg/mL a Np indiferent de modalitatea de obtinere a acestora a indicat un grad mare de genotoxicitate si prezenta leziunilor grosiere in materialul genetic. Prezenta endomitozei si a formatiunilor “double minutes”, markeri care apar de regula ca rezultat al unei toxicitati foarte mari a factorilor exogeni (sunt caracteristice in special radiatiilor ionizante, dar nu numai) demonstreaza faptul ca aceasta concentratie este de asemenea, ca si cea de 5 mg/mL, neadecvata pentru o evaluare corecta a genotoxicitatii. Concentratia de 1,5 mg/mL a Np in mediul de cultura a determinat o incidenta relativ crescuta a micronucleilor, comparativ cu controlul negativ, dar reprezinta o concentratie favorabila realizarii evaluarii
Conform indicelui RICC a fost calculata citotoxicitatea(Citotoxicitatea = 100 – RICC) pentru fiecare concentratiesi dupa cum se constata in tabelul 3.3, la concentratiile de2,5 mg/mL si 5 mg/mL depasesc concentratiile maximeadmise pentru o evaluare corecta fara rezultate falspozitive. Daca citotoxicitatea depaseste 60% determinaaparitia micronucleilor ca un efect secundar alcitotoxicitatii, astfel incat nu poate fi evaluata incidentaMN ca urmarea capacitatii genotoxice a substantei. Astfel,cele doua concentratii mari, de 2,5 mg/mL si 5 mg/mL audeterminat precipitarea in mediu de cultura pentru toatetipurile de Np expresie a unei citotoxicitati crescute (Fig
Tabelul 3.3. Citotoxicitatea Ag-ZnONp in functie de concentratie si metoda de obtinere.
Tipul Np Concentratia Np in mediu de cultura1,5 mg/mL 2,5 mg/mL 5 mg/mL
P3.1 42,4% 59,9% 72,3%P3.4 49% 62,2% 74,9%
Fig. 3.22. Imagini ale substantelor analizate.
In centru se afla controlul negativ, stanga
P3.1 conc. 5 mg/mL; dreapta P3.1 conc.
2,5 mg/mL.
12
capacitatii genotoxice. Datorita proprietatilor fizico-chimice ale Np, acestea interactioneaza cu materialul genetic in special in perioada de diviziune cand nucleul este lipsit de membrana celulara, perturband astfel ciclul celular prin blocarea diviziunii celulare. Comparativ cu controlul s-a constatat o proliferare scazuta a celulelor. Din analiza preparatelor microscopice (Fig. 3.23...3.25) s-a constatat ca aceste Np realizeaza legaturi directe cu ADN determinand aparitia micronucleilor, dar si a altor tipuri de aberatii cromozomale precum si aparitia nucleilor atipici.
Se constata prezenta micronucleilor la concentratie 1,5 mg/mL si prezenta pulverizarilor nucleare si a
nucleilor atipici la concentratiile mari de Ag-ZnONp.
Se constata prezenta micronucleilor la toate cele trei concentratii, dar la 2,5 mg/mL si 5 mg/mL se constata pulverizari ale materialului genetic si prezenta nucleilor atipici.
Analiza MN in vivo In Fig. 3.26 se observa prezenta micronucleilor (sageata) cu incidenta indicata in tabelul 3.5.
DMSO are un grad relativ crescut de citotoxicitate si poate determina usoare variatii in frecventa
micronucleilor de aceea s-a decis utilizarea TFS ca solvent, deoarece nu interfera cu ciclul celular si cu materialul genetic. Pentru toate probele se constata o incidenta a micronucleilor asemanatoare controlului. Expunerea animalelor la Np a fost de durata scurta spre medie, astfel ca se poate concluziona ca in cazul tratamentelor in vivo datorita capacitatii organismului de a reactiona la actiunea factorilor exogeni si datorita capacitatii intrinseci a ADN de a realiza repararea leziunilor, capacitatea genotoxica a Np este foarte scazuta spre nula. Este de mentionat faptul ca in literatura de specialitate nu exista informatii referitoare la genotoxicitatea Ag-ZnONp. Au existat studii efectuate separat pe ZnONp si AgNp. Pentru ZnONp nu s-au observat efecte genotoxice la nanoparticule cu dimensiuni 50 nm [3.16] si 60-200 nm [3.17]. De asemenea, nu a fost observat efect genotoxic nici in celulele pulmonare de la sobolani expuse prin inhalare la triethozycaprylylsilane-ZnO [3.18]. Analiza in vitro a evidentiat potentiale activitati genotoxice pentru ZnONp in diferite tipuri de linii
Fig. 3.26. Aspectul frotiurilor de maduva la soarecii injectati cu substantele
analizate: (a) Control (x80), (b) P3.1 (x80), (c) P3.4 (x80).
a) b) c)
Fig. 3.25. Aspectul celulelor tratate cu diferite concentratii
Tabelul 3.5. Evaluarea frecventei micronucleilor in vivo (Analiza s-a realizat prin evaluarea prezentei micronucleilor la 1000 nuclei numarati – MN‰)
Frecventa MN/1000 nuclei
(‰)
Control P3.1 P3.42.5 4.0 43.1 4.0 4- 4.5 5
Media (‰) 2.8 4.2 4.4
S-a constatat o reducere a frecventei micronucleilorfata de setul de experimente realizat in etapa anterioaradestinata optimizarii metodologiei de lucru, deoarecesolventul utilizat pentru dispersia Np in etapa precedentaa fost DMSO, iar in aceasta etapa TFS.
13
celulare. De asemenea, un rol important in potentialul genotoxic il au dimensiunile Np, precum si concentratia Np in mediu. Evaluarea s-a realizat prin diverse tehnici (Comet-assay, Ames test, MN test) [3.15], [3.19], [3.20], [3.21], [3.22]. ZnONp sunt utilizate in special in industria cosmetica, iar studiile efectuate inclusiv de Comisia Europeana au aratat ca acestea nu sunt genotoxice, iritante sau fotosensibile prin aplicare locala [3.23]. AgNp reprezinta o categorie de NP intens studiate datorita potentialului lor biocid si deci utilitatii lor. Insa majoritatea studiilor efectuate au evidentiant capacitatea lor genotoxica prin producerea leziunilor ADN in diferite sisteme biologice (bacterii, plante – Alium cepa, model mamalian) [3.24]. Exista studii care dovedesc ca AgNp pot ajunge in maduva osoasa si in ficat la soarece, producand citotoxicitate si leziuni oxidative ale ADN [3.25]. Astfel exista recomandari pentru utilizarea cu precautie a acestei categorii de Np. Concluzii asupra rezultatelor testor biologice efectuate pe materiale nanostructurate: 1. Rezultatele testarii activitatii antimicrobiene a substantelor pe baza de Ag-ZnONp au evidentiat o buna
activitate a substantelor codificate P.3.1, P.3.2, P.3.3. si P.3.4 fata de specii microbiene Gram-pozitive, Gram-negative si fungice, demonstrand potentialul acestora de a fi utilizate in aplicatii antimicrobiene in diferite domenii (biotehnologic, industrial, biomedical).
2. Utilizarea acestor nanoparticule in domeniul biomedical este insa conditionata de identificarea unor aplicatii (de exemplu acoperiri) care sa previna diseminarea acestor nanoparticule in organismul gazda si exercitarea efectului lor citotoxic, observat in acest studiu pentru concentratii de 100 µg/mL.
3. Analiza MNvit in culturi de limfocite umane pentru cele doua tipuri de probe P3.1 si P3.4, analizate la 3 concentratii diferite (1,5 mg/mL; 2,5 mg/mL si 5 mg/mL) a evidentiat prezenta multiplelor leziuni ale ADN (micronulei, endomitoza, DM, pulverizari ale materialului genetic, nuclei atipici) si citotoxicitate crescuta in special pentru concentratiile mari, de 2,5 mg/mL si 5 mg/mL. La concentratia de 1,5 mg/mL a fost evidentiata o incidenta relativ crescuta a MN comparativ cu controlul negativ. Acest rezultat poate fi determinat de contactul direct al Np cu materialul genetic al celulelor aflate in diviziune celulara.
4. Analiza MN in vivo pe model murin a evidentiat un potential genotoxic scazut al Ag-ZnONp, comparativ cu controlul, rezultat pozitiv cu implicatii benefice in utilizarea acestor Np in domenii tehnico-medicale. 3.3.4. Testarea activitatii antimicrobiene a acoperirilor nanostructurate s-a realizat conform ASTM E
2149-13a, in conditii de contact dinamice. Au fost utilizate tulpini de S. aureus (densitate 0.5 McFarland), P. aeruginosa (densitate 0.5 McFarland) si C. albicans (densitate 2 McFarland). Suspensia microbiana a fost depusa in picatura (50 µL) pe fiecare esantion sterilizat in prealabil la UV, pe suprafata cu depunerea (s-au utilizat 3 esantioane/tulpina – pentru cuantificarea cresterii biofilmului microbian la T1-24 h, T2-48 h si respectiv T3-72 h). Dupa incubarea la 37°C, in atmosfera umeda, la T1, T2, respectiv T3 s-a plasat cate un esantion din cele 3 esantioane in 1000 µL AFS, s-a vortexat timp de ~ 1 minut pentru desprinderea biofilmului microbian, apoi s-au realizat 7 dilutii seriale zecimale (-1….-7): 1000 µL AFS + 100 µL suspensie din eprubeta cu 1000 µL AFS. Dilutiile: -3, -4, -5, -6, -7 si suspensia initiala (I) s-au insamantat in spot (3 picaturi/replici a cate 10 µL suspensie pe placi Petri cu mediu de cultura Mueler-Hinton (MH) impartite in 6 sectoare. Dupa T1, T2, respectiv T3, placile cu MH s-au scos de la incubator si s-au numarat coloniile dezvoltate pentru fiecare dilutie si fiecare replica (s-a facut media pentru fiecare dilutie si s-a calculate nr. de UFC/mL).
Rezultate obţinute
Tabelul. 3.6. Rezultatele testelor biologice efectuate pe acoperiri nanostructurate. Proba Specii microbiene
testate Nr. de UFC/mL, la T1 – 24 h Nr. de UFC/mL, la T2 – 48 h Nr. de UFC/mL, la T3 - 72 h
-3 -4 -5 -6 -7 I -3 -4 -5 -6 -7 I -3 -4 -5 -6 -7 I
Concluzii asupra rezultatelor testor biologice efectuate pe acoperiri nanostructurate: 1. Materialele b002-b009, exceptand b009 in cazul P. aeruginosa, au inhibat total dezvoltarea biofilmului
bacterian format atat de bacteriile Gram-pozitive (S. aureus), cat si de cele Gram-negative (P. aeruginosa). 2. Activitatea antifungica a probelor b002-b009 a fost mai redusa, comparativ cu cea antibacteriana. Cu
exceptia materialului b004 care a inhibat total dezvoltarea biofilmului de C. albicans la 24 h, pe toate celelalte materiale, in special pe proba b003 s-a observat o dezvoltare a biofilmului de C. albicans la 24 h.
3. Materialele b010, b014, b015, b016, b019 prezinta o activitate antimicrobiana foarte buna, inhiband dezvoltarea biofilmului atat cel format de bacterii (Gram pozitive – S. aureus; Gram negative – P. aeruginosa) cat si de levuri/fungi (C. albicans).
4. Cea mai slaba activitate antimicrobiana (antibacteriana si antifungica) o prezinta proba b001, unde se observa o dezvoltare buna a biofilmului microbian, cresterea fiind abundenta, in plaja, atat la 24 h, cat si la 48 h si 72 h.
5. Materialele b011, b012, b013, b017, b020 si otelul 316L prezinta o activitate antibacteriana scazuta pentru tulpina de P. aeruginosa – pe suprafata depunerii se dezvolta biofilm bacterian, in schimb inhiba dezvoltarea bacteriei Gram-pozitive (S. aureus) si a tulpinii fungice (C. albicans).
6. Materialele analizate releva o activitate antimicrobiana buna a straturilor subtiri depuse pe otel inox 316L.
3.3.5. Testarea citotoxicitatii acoperirilor nanostructurate Analiza biocompatibilitatii esantioanelor de acoperiri nanostructurate (b001-b009 TT) s-a efectuat prin
studiul in vitro al interactiunii esantioanelor cu celulele MG63 cultivate timp de 24 h pe substraturile acoperite si analizate din punct de vedere morfologic. Determinarea citotoxicității s-a realizat prin metoda calitativă de examinare microsopică a morfologiei celulelor aderate pe suprafețele obținute. Probele au fost plasate in placi
15
de 24 godeuri si ulterior au fost adaugate 50.000 celule MG63, care reprezinta o linie celulară de tip fibroblastic, cu morfologie ovală până la fusiformă, fără ramificații, inițiată dintr-un osteosarcom (tumoră osoasă malignă) uman. La 24 h, celulele MG63 au fost fotografiate in contrast de faza (in godeu, langa device), la microscopul Zeiss Observer D1. Viabilitatea celulelor a fost stabilita prin metoda excluderii albastrului tripan [3.26]. Membrana celulelor vii având o permeabilitate selectivă, albastru tripan nu poate fi absorbit de către celulele vii, însă în cazul celulelor moarte o poate traversa cu uşurinţă. În consecinţă, la microscopul optic celulele moarte apar colorate în albastru, iar cele vii necolorate [3.27].
Rezultate obţinute
La evaluarea biologica a esantioanelor testate s-a constat toxicitatea acestora, la 24 h, dupa cum urmeaza: b007 TT, b008 TT, b009 TT - viabilitate intre 30-40%; b005 TT, b004 TT si b001 TT - viabilitate peste 90% (slab citotoxic); b003 TT - viabilitate 40%; b006 TT - viabilitate 35%; b002 TT - viabilitate 25%. In Fig. 3.27 se observa morfologia alterata a celulelor.
Capitolul 3.4. Elaborare specificații tehnice materiale nanostructurate, tinte de pulverizare si acoperiri nanostructurate cu activitate antimicrobiana
In cadrul activitatilor A.3.4. si A.3.5., coordonatorul proiectului - CO, prin Directorul de proiect, Dr. Ing. Magdalena-Valentina Lungu in colaborare cu Responsabilii de proiect ai partenerilor, Prof. Mariana Carmen Chifiriuc si Drd. Fiz. Arcadie Sobetkii, a elaborat trei specificatii tehnice (ST):
(1) ST 111/29.11.2016 ˮMateriale nano şi microstructurate pe bază de pulberi compozite de argint-dioxid de titanˮ
(2) ST 112/29.11.2016 ˮȚinte de pulverizare pe bază de argint-dioxid de titanˮ (3) ST 113/29.11.2016 ˮAcoperiri nanostructurate pe bază de argint-dioxid de titan cu activitate
antimicrobianăˮ. Cele trei ST-uri au fost discutate in data de 29.11.2016 (PV nr. 6087/29.11.2016 de discutare ST
111/29.11.2016, PV nr. 6089/29.11.2016 de discutare ST 112/29.11.2016 si PV nr. 6091/29.11.2016 de discutare ST 113/29.11.2016) si aprobate de catre membrii comisiilor de discutare si aprobare a ST-urilor mentionate mai sus (PV nr. 6088/29.11.2016 de aprobare ST 111/29.11.2016, PV nr. 6090/29.11.2016 de aprobare ST 112/29.11.2016 si PV nr. 6092/29.11.2016 de aprobare ST 113/29.11.2016).
piese de schimb, echipamente, terti) pentru realizarea obiectivelor proiectului Pentru indeplinirea obiectivelor proiectului si a activitatilor propuse in Etapa 3/2016 in Planul de realizare
a proiectului INMATCO, partenerii proiectului au efectuat cheltuieli de materii prime, materiale consumabile, piese de schimb, echipamente, terţi, etc., care sunt prezentate in Fisa de evidenta a cheltuielilor (FEC), anexata acestei etape. Ca echipamente CDI de mare importanta in desfasurarea cercetarilor din cadrul proiectului se mentioneaza Sistemul Calotest Compact (CAT-S-CE-0000, Cod AP-145182) pentru determinarea grosimii straturilor subtiri depuse pe substrat din otel inox 316L, achizitionat de CO si un microscop Carl Zeiss achizitionat de P1 in Etapa III/2016. De asemenea, CO a upgradat spectrofotometrul UV-Vis-NIR V570
Fig. 3.27. Imagini de microscopie inversata, in contrast de faza, ale celulelor MG63 crescute timp de 24 h pe esantioanele analizate (probele b001 TT –
Martor, b002-b009 TT, Martor - MG63) (x200) si Tripan (x100).
b001 b002 b003 b004 b005
b006 b007 b008 b009 MG63
Tripan
16
(Jasco) prin achizitionarea unui software VWGA-589 pentru determinarea largimii energetice a benzii interzise pentru materialele si acoperirile nanostructurate pe baza de Ag-ZnO si Ag-TiO2.
Capitolul 3.6. Protejarea drepturilor de proprietate intelectuala prin elaborarea unei cereri de
brevet si inregistrarea acesteia la OSIM In cadrul Etapei 3/2016, activitatea A.3.7., a fost elaborata in comun de catre partenerii proiectului (CO,
P1, P2) o cerere de brevet de inventie cu nr. de inregistrare la OSIM A/00780 din 01.11.2016, cu titlul “Ţinte de pulverizare și filme subțiri nanostructurate pe bază de argint-dioxid de titan cu proprietăți antimicrobiene și procedeu de obținere”, autori: M.-V. Lungua, D. Pătroia, M. Lucacia, F. Grigorea, V. Tsakirisa, A. Brătulescua, S.A. Mitreaa, L.-E. Radua, D. Tălpeanua, A. Sobetkiib, A.A. Sobetkiib, M.-C. Chifiriucc (aCO - INCDIE ICPE-CA, bP2 - MGM STAR CONSTRUCT S.R.L., cP1 - Universitatea din Bucuresti).
Capitolul 3.7. Diseminarea rezultatelor proiectului prin comunicarea si publicarea nationala sau
internationala a rezultatelor proiectului si actualizarea paginii web a proiectului In vederea diseminarii pe scara larga a rezultatelor proiectului INMATCO in domeniul nanomaterialelor
si acoperirilor nanostructurate pentru aplicatii medicale si a cresterii vizibilitatii internationale a proiectului, pentru indeplinirea activitatii A.3.8. partenerii proiectului (CO prin M.V. Lungu, D. Pătroi, M. Lucaci, V. Tsakiris, A. Brătulescu, F. Grigore, L.N. Leonat, C.D. Cîrstea, I. Ion, V. Marinescu, S. Mitrea, M. Iordoc, P. Barbu, L.E. Radu, E.M. Lungulescu, N. Stancu, A. Teisanu si I. Iordache, P1 prin M.C. Chifiriuc, M. Popa, I. Gheorghe, V. Lazar si I. Czobor si P2 prin A. Sobetkii si A.A. Sobetkii) au realizat urmatoarele: comunicari: prezentare sub forma de poster si/sau abstract publicat in Book of Abstracts a 5 lucrari:
(1) M.V. Lungu, A. Sobetkii, A.A. Sobetkii, N. Mihăilescu, D. Pătroi, L. Leonat, E.M. Lungulescu, M. Iordoc, L.E. Radu, N. Stancu, M. Lucaci, C.D. Cîrstea, I. Ion, V. Tsakiris, M.C. Chifiriuc, Enhanced ZnO and Ag-ZnO Nanostructured Coatings Grown on Stainless Steel for Medical Applications, 10th International Conference on Photoexcited Processes and Applications ICPEPA-10, August 29-September 2, 2016, Brasov, Romania, poster si abstract publicat in Book of Abstracts, p. 121.
(2) M. Iordoc, P. Barbu, A. Teisanu, M.V. Lungu, I. Iordache, Effect of ZrO2 Coating on the Electrochemical Behavior and Surface Properties of 316L Stainless Steel, 10th International Conference on Photoexcited Processes and Applications ICPEPA-10, August 29-September 2, 2016, Brasov, Romania, poster si abstract publicat in Book of Abstracts, p. 112.
(3) L. N. Leonat, A. Vlad, A. Bratulescu, M. Lungu, Zinc Oxide - a Material for the Future, 10th International Conference on Photoexcited Processes and Applications ICPEPA-10, August 29-September 2, 2016, Brasov, Romania, abstract publicat in Book of Abstracts, p. 117.
(4) I. Gheorghe, O.T. Almahdawy, M. Popa, O. Banu, V. Lazar, M.C. Chifiriuc, Virulence and resistance genes in methicillin resistant Staphylococcus aureus and vancomycin resistant Enterococcus sp. clinical strains isolated in South Romania, „Vilnius International Summit on Communicable Diseases”, June 26-July 1, 2016, Vilnius, Lituania, poster si abstract publicat in Book of Abstracts, p. 15.
(5) V.C. Cristea, I. Gheorghe, M. Popa, I. Czobor; M.C. Chifiriuc, G. Sandu, I. M. Popa, Virulence and Resistance Markers in Colistin-Susceptible Pseudomonas Aeruginosa Strains Isolated from Cystic Fibrosis Patients in Bucharest, Romania, „Vilnius International Summit on Communicable Diseases”, June 26-July 1, 2016, Vilnius, Lituania, poster si abstract publicat in Book of Abstracts, p. 66.
articole publicate: (1) M.V. Lungu, E. Vasile, M. Lucaci, D. Pătroi, N. Mihăilescu, F. Grigore, V. Marinescu, A. Brătulescu,
S. Mitrea, A. Sobetkii, A.A. Sobetkii, M. Popa, M.-C. Chifiriuc, ”Investigation of optical, structural, morphological and antimicrobial properties of carboxymethyl cellulose capped Ag-ZnO nanocomposites prepared by chemical and mechanical methods”, Materials Characterization, Elsevier, ISSN 1044-5803, Vol. 120, Oct. 2016, p. 69-81, DOI: 10.1016/j.matchar.2016.08.022, FI/2015=2,383, SRI/2016=3,463, WOS:000386413900008, care include AudioSlides Presentation la http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1044580316302728
cresterea vizibilitatii proiectului prin crearea unei pagini web a proiectului pe ResearchGate (https://www.researchgate.net/project/Innovative-nanostructured-materials-and-coatings-with-antimicrobial-activity-for-medical-applications)
actualizarea paginii web a proiectului INMATCO (http://www.icpe-ca.ro/proiecte/proiecte-nationale/pn-2014/inmatco.pdf) cu Raportul stiintifico-tehnic la Etapa III/2016 care cuprinde informatii neconfidentiale despre activitatile si rezultatele proiectului.
17
Capitolul 3.8. Participarea la manifestari tehnico-stiintifice nationale si internationale din domenii specifice proiectului
In cadrul activitatii A.3.9. au fost realizate trei participari la doua evenimente stiintifice internationale din domenii specifice proiectului: participarea in perioada 30.08.2016-2.09.2016 a Dr. Ing. Magdalena Lungu (CO), conform Ordinului de
deplasare nr. 17 din 25.08.2016 si a Dr. Chim. Mihai Iordoc (CO), conform Ordinului de deplasare nr. 16 din 25.08.2016, la conferinta internationala:”10th International Conference on Photoexcited Processes and Applications”, ICPEPA-10, August 29-Sept. 2, 2016, Brasov, Romania (http://icpepa10.com/);
participarea in perioada 25.06.2016-01.07.2016 a Drd. Irina Gheorghe (P1), conform Ordinului de deplasare nr. 259 din 19.04.2016 la manifestarea internationala ”Vilnius International Summit on Communicable Diseases”, June 26-July 1, 2016, Vilnius, Lituania (http://www.ulac.lt/en/vilnius-communicable-diseases-week-vilnius-summit-) Capitolul 3.9. Managementul şi coordonarea proiectului; Elaborarea raportului de etapa Directorul de proiect si Responsabilii de proiect au urmarit permanent ca lucrarile de cercetare-
dezvoltare-inovare aferente Etapei III/2016 a proiectului sa se realizeze conform Planului de realizare, in vederea preintampinarii oricarei disfunctionalitati in activitati. Directorul de proiect si Responsabilii de proiect, impreuna cu Directorul economic sau Contabilul fiecarei organizatii participante la proiect au urmarit permanent ca alocarile financiare sa se faca in functie de destinatia prevazuta. Comunicarea intre parteneri s-a efectuat eficient prin e-mail, telefon si intalniri in cadrul proiectului.
Elaborarea Raportului de etapă a fost realizata in comun de Directorul de proiect si Responsabilii de proiect, conform activitatilor prevazute in Etapa III/2016 in Planul de realizare a proiectului, astfel incat, rezultatele obtinute au fost in concordata cu cele planificate.
Capitolul 3.10. Concluzii In Etapa III/2016 a proiectului au fost realizate urmatoarele activităţi de cercetare industrială si de
dezvoltare experimentala: Au fost elaborate 13 ME de suspensii coloidale de Ag-ZnO (ME-S3.1...ME-S3.13), din care au fost
realizate 13 ME de materiale nanostructurate de pulberi compozite de Ag-ZnONp (ME-P3.1...ME-P3.13) cu un continut masic de 0,16...1,04 % AgNp;
Pulberile compozite pe baza de Ag-ZnONp au fost caracterizate din punct de vedere al compoziţiei chimice si dimensiunii medii de cristalit prin analize XRF si XRD.
Au fost efectuate depuneri de straturi subtiri de materiale nanostructurate pe substrat de otel inox prin metoda de evaporare termica cu fascicol de electroni, din care au rezultat 20 loturi (b001...b020) de ME de acoperiri nanostructurate de Ag-TiO2, Ag-ZnO, ZnO si Inconel 600 de grosime 150...700 nm, depuse pe 2...6 tipo-dimensiuni de substrat din otel inox 316L, care au fost investigate din punct mecanic, tribologic, electrochimic si biologic.
Acoperirile nanostructurate au fost uniforme, cu o buna aderenta a filmelor subtiri depuse pe substratul metalic, din care probele b011 TT, b004 TT si b002 TT au avut cea mai mare rezistenta la zgariere, prezentand forte de adeziune (Lc2) de 7,82... 8,20 N si de coeziune (Lc3) de 12,31... 13,49 N.
Probele de acoperiri b017 TT, b004 TT, b006 TT, b002 TT, b003 TT, b012 TT si b018 TT au prezentat un comportament tribologic foarte bun, avand coeficient mic de frecare (μmediu de 0,151...0,698) si factor mic de uzura (K de 3,83x10-5...15,3x10-4 mm3/(Nm)).
Probele b010 TT, b012 TT, b009 TT, b013 TT si b004...b007 TT au aratat un comportament foarte bun la testele electrochimice, avand viteza de coroziune in intervalul 2,05...15,88 µm/an, fiind de circa 3,87...30 de ori mai mica decat viteza de coroziune a substratului din otel inox 316L (61,46 µm/an), fapt ce demonstreaza utilitatea functionalizarii substratului din otel inox cu acest tip de acoperiri nanostructurate.
A fost evaluata activitatea antimicrobiana a materialelor nanostructurate pe baza de Ag-ZnONp (P3.1...P3.13) si a acoperirilor nanostructurate (b001...b020) impotriva unui spectru larg de bacterii Gram-negative (E. coli, P. aeruginosa) si Gram-pozitive (S. aureus, E. faecalis) si fungi (C. albicans).
A fost evidentiata o activitate antimicrobiana buna a materialelor P.3.1...P.3.4 si a straturilor subtiri depuse pe otel inox 316L, in special cele din Ag-TiO2, fata de speciile microbiene mentionate, demonstrand potentialul acestora de a fi utilizate in aplicatii din domeniul biotehnologic, industrial si biomedical.
A fost efectuat un studiu privind investigarea citotoxicitatii materialelor nanostructurate pe baza de pulberi compozite Ag-ZnO (P3.1...P3.13) si a acoperirilor pe baza de Ag-TiO2, Ag-ZnO, ZnO, Inconel 600 (b001...b009) si substrat de otel inox. Materiale testate prezinta grade diferite de citotoxicitate asupra celulelor MG63, ce conditioneaza utilizarea lor pentru aplicatii in vivo.
18
A fost realizat un studiu de genotoxicitate pentru 2 probe de pulberi selectate de Ag-ZnONp (P3.1 si P3.4). S-a evidentiat un potential genotoxic scazut al Ag-ZnONp, comparativ cu controlul, rezultat pozitiv cu implicatii benefice in utilizarea acestor Np in domenii tehnico-medicale.
A fost elaborata si depusa la OSIM o cerere de brevet de inventie; A fost achiziţionata parţial logistica necesara (materii prime, materiale consumabile, piese de schimb,
echipamente, terţi) pentru realizarea obiectivelor proiectului, si anume un Sistem Calotest pentru determinarea grosimii straturilor subtiri, un microscop Carl Zeiss, un software VWGA-589 pentru determinarea largimii energetice a benzii interzise pentru materialele si acoperirile din Ag-ZnO si Ag-TiO2;
A fost publicat un articol intr-un jurnal ISI (Materials Characterization, Elsevier, ISSN 1044-5803) cu FI/2015=2,383, SRI/2016=3,463;
Au fost realizate 3 participari la manifestari tehnico-stiintifice internationale din domenii specifice proiectului (conferinta internationala 10th International Conference on Photoexcited Processes and Applications, ICPEPA-10, August 29-Sept. 2, 2016, Brasov, Romania si manifestarea internationala „Vilnius International Summit on Communicable Diseases”, June 26-July 1, 2016, Vilnius, Lituania);
Au fost comunicate 4 lucrari sub forma de postere la 2 manifestari internationale si au fost publicate 5 abstracte in Book of Abstracts;
Au fost intocmite 3 specificatii tehnice pentru (i) materiale nano si microstructurate pe baza de pulberi Ag-TiO2, (ST 111/29.11.2016) (ii) tinte de pulverizare pe baza de Ag-TiO2 (ST 112/29.11.2016) si (iii) acoperiri nanostructurate pe baza de Ag-TiO2 cu activitate antimicrobiana (ST 113/29.11.2016);
A fost actualizata pagina web a proiectului: (http://www.icpe-ca.ro/proiecte/proiecte-nationale/pn-2014/inmatco.pdf);
A fost elaborat raportul de etapă nr. 3/2016, in comun de catre partenerii proiectului. A fost realizat eficient managementul şi coordonarea proiectului, astfel incat au fost indeplinite activitatile
propuse cu rezultatele preconizate in Planul de realizare a proiectului. Avand in vedere cele de mai sus se considera oportuna continuarea lucrarilor de definitivare dezvoltare
experimentala din etapa urmatoare, cu activitati de realizare, caracterizare si certificare prototipuri de materiale nano si microstructurate, prototipuri de tinte de pulverizare si de acoperiri nanostructurate si realizarea unor produse finite acoperite, diseminarea pe scara larga a rezultatelor proiectului si cresterea vizibilitatii internationale a proiectului.
Bibliografie
[3.1]. ASTM C1624-05 (2015) “Standard test method for adhesion strength and mechanical failure modes of ceramic coatings by quantitative single point scratch testing”. [3.2]. DIN EN 1071-3:2005-10 “Advanced technical ceramics - Methods of test for ceramic coatings - Part 3: Determination of adhesion and other mechanical failure modes by a scratch test”. [3.3]. SR EN ISO 20502:2016 ver.eng. “Ceramici tehnice (ceramici avansate, ceramici tehnice avansate). Determinarea aderenţei acoperirilor ceramice prin încercarea de zgâriere”. [3.4]. SR EN ISO 26423:2016 ver.eng. “Ceramici tehnice (ceramici avansate, ceramici tehnice avansate). Determinarea grosimii acoperirii prin metoda şlefuirii unei calote”. [3.5]. ASTM G99-05 (2016) “Metodă de încercare standard pentru testarea uzurii cu un aparat pin-on-disk”. [3.6]. SR EN 1071-13:2010 ver.eng. “Ceramici tehnice avansate. Metode de încercare pentru acoperiri ceramice. Partea 13: Determinarea factorului de uzură prin metoda pin-on-disk”. [3.7]. ASTM G 102-89 (2015) “Procedură standard pentru calculul vitezelor de coroziune şi al informaţiilor obţinute din măsurătorile electrochimice”. [3.8]. Limban C, Chifiriuc MC. Antibacterial Activity of New Dibenzoxepinone Oximes with Fluorine and Trifluoromethyl Group Substituents. Int. J. Mol. Sci.2011, 12(10), 6432-6444 [3.9]. Balaure PC, Andronescu E, Grumezescu AM, Ficai A, Huang KS, Yang CH, Chifiriuc CM, Lin YS.Fabrication, characterization and in vitro profile based interaction with eukaryotic and prokaryotic cells of alginate-chitosan-silica biocomposite, Int J Pharm., 2013 Jan 30;441(1-2):555-61. doi: 10.1016/j.ijpharm.2012.10.045. Epub 2012 Nov 20. [3.10]. Gonzalez L, Sanderson BJS, Kirsch-Volders M. Adaptations of the in vitro MN assay for the genotoxicity assessment of nanomaterials. Mutagenesis. 2011;26:185–191. [3.11]. Fowler P., Smith K., Jeffrey L., Young J., Carmichael P., Aardema M., Diembeck W., Fautz R., Harvey J., Hewitt N., Latil A., Pfuhler S., Ouedraogo G., Reisinger K., Fairley M., Kirkland D. Reduction of misleading (“False”) positive results in mammalian cell genotoxicity assays: choice of cell type. Mutagenesis.2010;25:651. 651. [3.12]. Kroll A., Kierker C., Rommel C., Hahn D., Wohlleben W., Schulze-Isfort C., Gobbert C., Voetz M., Hardinghaus F., Schnekenburger J. Cytotoxicity screening of 23 engineered nanomaterials using a test matrix of ten cell lines and three different assays. Part. Fibre Toxicol.2011;8:9. [3.13]. OEDC (2012) Test no 487: In vitro mammalian cell micronucleus test, OECD Guidelines for the Testing of Chemicals, Section 4, OECD Publishing, Paris. [3.14]. OECD (2014), Test No. 474: Mammalian Erythrocyte Micronucleus Test, OECD Guidelines for the Testing of Chemicals, Section 4, OECD Publishing, Paris.
19
[3.15]. Kwon J.Y, Koedrith P., Seo Y.R - Current investigations into the genotoxicity of zinc oxide and silica nanoparticles in mammalian models in vitro and in vivo: carcinogenic/genotoxic potential, relevant mechanisms and biomarkers, artifacts, and limitations, International Journal of Nanomedicine 2014, 9 (Suppl 2) 271–286. [3.16]. Li CH, Shen CC, Cheng YW, et al. Organ biodistribution, clearance, and genotoxicity of orally administered zinc oxide nanoparticles in mice. Nanotoxicology. 2012;6(7):746–756. [3.17]. Monteiro-Riviere NA, Wiench K, Landsiedel R, Schulte S, Inman AO, Riviere JE. Safety evaluation of sunscreen formulations containing titanium dioxide and zinc oxide nanoparticles in UVB sunburned skin: an in vitro and in vivo study. Toxicol Sci. 2011;123(1):264–280. [3.18]. Landsiedel R, Ma-Hock L, Van Ravenzwaay B, et al. Gene toxicity studies on titanium dioxide and zinc oxide nanomaterials used for UV-protection in cosmetic formulations. Nanotoxicology. 2010;4:364–381. [3.19]. Gopalan R, Osman I, Amani A, Matas M, Anderson D. The effect of zinc oxide and titanium dioxide nanoparticles in the comet assay with UVA photoactivation of human sperm and lymphocytes. Nanotoxicology. 2009;3(1):33–39. [3.20]. Osman IF, Baumgartner A, Cemeli E, Fletcher JN, Anderson D. Genotoxicity and cytotoxicity of zinc oxide and titanium dioxide in HEp-2 cells. Nanomedicine (Lond). 2010;5(8):1193–1203. [3.21]. Sharma V, Singh SK, Anderson D, Tobin DJ, Dhawan A. Zinc oxide nanoparticle induced genotoxicity in primary human epidermal keratinocytes. J Nanosci Nanotechnol. 2011;11(5):3782–3788. [3.22]. Hackenberg S, Zimmermann FZ, Scherzed A, et al. Repetitive exposure to zinc oxide nanoparticles induces dna damage in human nasal mucosa mini organ cultures. Environ Mol Mutagen. 2011;52(7):582–589. [3.23]. SCCNFP. The scientific committee on cosmetic products and non-food products intended for consumers concerning zinc oxide. 2003. [3.24]. Ghosh M, Manivannan L, Sinha A., Chakraboty A, Mallick SK, Bandyopadhyay M, Mukherjee A. In vitro and in vivo genotoxicity of silver nanoparticles, Mutation Research/Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis, Vol. 749, Issues 1–2, 2012, Pages 60–69. [3.25]. Li Y., Bhalli JA, Ding W, Yan J, Pearce MG, Sadiq R, Cunningham CK, Jones MY, Monroe WA, et. al. Cytotoxicity and genotoxicity assessment of silver nanoparticles in mouse, Nanotoxicology, Suppl 1:36-45, 2014. [3.26]. SR EN ISO 10993-5:2009 ver.eng. “Evaluarea biologică a dispozitivelor medicale. Partea 5: Teste pentru citotoxicitate in vitro”. [3.27]. R. Anghel. Evaluarea efectului biologic indus de unele peptide citotoxice asupra celulelor tumorale şi normale, Rezumatul tezei de doctorat, Universitatea de Medicină si Farmacie “Gr. T. Popa” Iaşi, Facultatea de Medicină, 2014.
PROGRAMUL PNII - PARTENERIATE IN DOMENII PRIORITARE
Finantare: buget Autoritate contractanta: Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamântului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii (UEFISCDI) Programul: PNII - PARTENERIATE IN DOMENII PRIORITARE Contractor: Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Inginerie Electrica ICPE-CA (INCDIE ICPE-CA) Partener 1: UNIVERSITATEA BUCURESTI, Facultatea de Biologie Partener 2: MGM STAR CONSTRUCT SRL
RAPORT ŞTIINŢIFIC ŞI TEHNIC - ETAPA 4/2017 la C215/2014 - Materiale şi acoperiri nanostructurate inovative cu activitate antimicrobiană
pentru aplicaţii medicale (Acronim proiect: INMATCO) Denumirea etapei: Definitivare dezvoltare experimentala: realizarea, caracterizarea si certificarea prototipurilor de materiale si acoperiri nanostructurate, realizarea unor produse finite acoperite
Perioda de derulare a etapei: 24.12.2016 - 30.09.2017
Activităţi / Partenerii implicaţi în realizarea activităţii: A.4.1. Demonstrarea functionalitatii modelelor de acoperiri nanostructurate selectate in urma caracterizarilor si testelor efectuate / CO, P2 A.4.2. Definitivare specificații tehnice materiale nanostructurate si tinte de pulverizare cu activitate antimicrobiana / CO, P1, P2 A.4.3. Definitivare specificatie tehnica acoperiri nanostructurate antimicrobiene / CO, P1, P2 A.4.4. Achizitionarea partiala a logisticii necesare (materii prime, materiale consumabile, piese de schimb, echipamente, terti) pentru realizarea obiectivelor proiectului / CO, P1, P2 A.4.5. Realizarea prototipurilor de materiale nanostructurate, tinte de pulverizare si acoperiri nanostructurate / CO, P1, P2 A.4.6. Caracterizarea fizico-chimica si structurala a prototipurilor de materiale nanostructurate, tinte de pulverizare si acoperiri nanostructurate / CO, P2 A.4.7. Caracterizarea mecanica a prototipurilor de tinte de pulverizare / CO A.4.8. Caracterizarea electrochimica, mecanica si tribologica a prototipurilor de acoperiri nanostructurate, studiul grosimii si aderentei straturilor subtiri de prototipuri de acoperiri / CO, P2 A.4.9. Evaluarea activitatii antimicrobiene a prototipurilor de materiale si acoperiri nanostructurate / P1 A.4.10. Elaborarea documentatiei tehnice de certificare a materialelor nanostructurate, tintelor de pulverizare si a acoperirilor nanostructurate / CO, P1, P2 A.4.11. Realizarea unor produse finite acoperite / P2 A.4.12. Diseminarea rezultatelor proiectului prin comunicarea si publicarea nationala sau internationala a rezultatelor proiectului si actualizarea paginii web a proiectului A.4.13. Participarea la manifestari tehnico-stiintifice nationale si internationale din domenii specifice proiectului / CO, P1, P2 A.4.14. Managementul si coordonarea proiectului; Elaborarea raportului de etapa (tehnico-stiintific si financiar) si a raportului final / CO, P1, P2
Rezultate aşteptate: Studiu privind demonstrarea functionalitatii modelului de acoperiri nanostructurate; Specificații tehnice definitivate pentru materiale nanostructurate (min. 1), tinte de pulverizare (min. 1) si acoperiri nanostructurate (min. 1); Prototipuri de materiale nanostructurate (min. 1), tinte de pulverizare (min. 1) si acoperiri nanostructurate (min. 1); Rapoarte de incercari; Produse finite acoperite (min. 3); Documentatie tehnica de certificare a materialelor nanostructurate, tintelor de pulverizare si a acoperirilor nanostructurate; Min. 2 articole comunicate; 1 articol trimis spre publicare in jurnale ISI; 1 articol publicat intr-un jurnal ISI; Pagina web a proiectului actualizata; Raport de etapa; Raport final
Colectiv de lucru: CO: INCDIE ICPE-CA Director de proiect: Dr. Ing. Lungu Magdalena Membri CO: Dr. Ing. Enescu Elena Dr. Ing. Patroi Delia Dr. Ing. Lucaci Mariana Dr. Ing. Ion Ioana Dr. Fiz. Cirstea Cristiana Diana Dr. Ing. Tsakiris Violeta Dr. Fiz. Sbarcea Gabriela Dr. Chim. Iordoc Mihai Dr. Chim. Barbu Paula Dr. Ing. Talpeanu Dorinel Dr. Chim. Lungulescu Marius Ing. Grigore Florentina Drd. Ing. Marin Mihai Drd. Fiz. Marinescu Virgil Ing. Bratulescu Alexandra Ing. Mitrea Sorina Ing. Stancu Nicolae Operator ceramist Matei Valeria Tehn. Ghita Marian Munc. Cristina Florea
P1: UNIVERSITATEA BUCURESTIResponsabil de proiect: Prof. Dr. Chifiriuc Mariana-Carmen Membri P1: Prof. Dr. Mihaescu Grigore Dr. Popa Marcela Dr. Coralia Bleotu Drd. Gheorghe Irina Dr. Ditu Lia Mara Dr. Constantin Nicoleta Dr. Curutiu Carmen Stoica Maria Sarbu Ecaterina Monica
P2: MGM STAR CONSTRUCT SRLResponsabil de proiect: Drd. Fiz. Sobetkii Arcadie Membri P2: Drd. Fiz. Sobetkii A. Arcadii Fiz. Capatana Valentina Ec. Diaconu Corina Daniela Ing. Gritcu Corneliu Visan Mihai, Director general Ec. Visan Emilia Cristina, Director comercial Anisoara Maracine Director de proiect, Dr. Ing. Lungu Magdalena
REZUMATUL ETAPEI DE EXECUTIE
In Etapa 4/2017 la proiectul PCCA, Contract nr. 215/2014, derulat in cadrul programului PNCDI II - PARTENERIATE au fost prevazute si indeplinite activitati de cercetare industriala si de dezvoltare experimentala, care au condus la elaborarea de noi prototipuri certificate de materiale si acoperiri nanostructurate cu activitate antimicrobiana si tinte de pulverizare, precum si la realizarea de dispozitive medicale din categoria instrumentelor medicale chirurgicale critice invazive din otel inox functionalizate antimicrobian cu acoperiri nanostructurate de tip straturi subtiri pe baza de Ag-TiO2.
Capitolul 4.1. prezinta o activitate de cercetare industriala A.4.1.-Demonstrarea functionalitatii modelelor de acoperiri nanostructurate selectate in urma caracterizarilor si testelor efectuate. Probele selectionate de Ag-TiO2 au fost atacate chimic cu acid ortofosforic si au avut o rezistenta buna la acid, iar acoperirile, inclusiv cele netratate termic dupa depunere au ramas aderente la substratul din otel inox 316L.
Capitolul 4.2. prezinta doua activitati de dezvoltare experimentala: A.4.2.-Definitivare specificații tehnice materiale nanostructurate si tinte de pulverizare cu activitate antimicrobiana si A.4.3.-Definitivare specificatie tehnica acoperiri nanostructurate antimicrobiene. Au fost intocmite 3 specificatii tehnice definitivate pentru (1) materiale nano si microstructurate pe baza de pulberi compozite de Ag-TiO2 (ST 114/08.08.2017) (2) tinte de pulverizare pe baza de Ag-TiO2 (ST 115/08.08.2017) si (3) acoperiri nanostructurate pe baza de Ag-TiO2 cu activitate antimicrobiana (ST 116/08.08.2017).
Capitolul 4.3. prezinta activitatea A.4.4.-Achizitionarea partiala a logisticii necesare (materii prime, materiale consumabile, piese de schimb, echipamente, terti) pentru realizarea obiectivelor proiectului, care a fost desfasurata conform inregistrarilor contabile din FEC.
Capitolul 4.4. prezinta activitatea A.4.5.-Realizarea prototipurilor de materiale nanostructurate, tinte de pulverizare si acoperiri nanostructurate, activitate realizata in comun de catre partenerii proiectului (CO, P1, P2). Cele 5 prototipuri de materiale nanostructurate (MN Ag-TiO2 si MM Ag-TiO2), tinte de pulverizare (TP MN Ag-TiO2 si TP MM Ag-TiO2) si acoperiri nanostructurate (AN Ag-TiO2) au fost realizate conform documentaţiei de execuţie si receptionate de catre membrii comisiilor de certificare, conform PV de receptie a executiei prototipurilor MN Ag-TiO2 si MM Ag-TiO2 nr. 3151/08.08.217, PV de receptie a executiei prototipurilor TP MN Ag-TiO2 si TP MM Ag-TiO2 nr. 3152/08.08.217 si PV de receptie a executiei prototipurilor AN Ag-TiO2 nr. 3153/08.08.217.
Capitolele 4.5...4.9. prezinta activitatile A.4.6.-Caracterizarea fizico-chimica si structurala a prototipurilor de materiale nanostructurate, tinte de pulverizare si acoperiri nanostructurate, A.4.7.-Caracterizarea mecanica a prototipurilor de tinte de pulverizare, A.4.8.-Caracterizarea electrochimica, mecanica si tribologica a prototipurilor de acoperiri nanostructurate, studiul grosimii si aderentei straturilor subtiri de prototipuri de acoperiri si A.4.9.-Evaluarea activitatii antimicrobiene a prototipurilor de materiale si acoperiri nanostructurate. Rezultatele incercarilor si testelor realizate de catre partenerii proiectului corespund conditiilor impuse in ST-urile 114/08.08.2017, ST 115/08.08.2017 si ST 116/08.08.2017 si sunt redate in cele 16 Rapoarte de incercari elaborate de catre CO - INCDIE ICPE-CA si 2 Rapoarte de testare elaborate de catre P1 - Universitatea Bucuresti, Facultatea de Biologie, demonstrand potentialul produselor realizate de a fi utilizate in aplicatii din domeniul biotehnologic, industrial si biomedical.
Capitolul 4.10. prezinta activitatea A.4.10.-Elaborarea documentatiei tehnice de certificare a materialelor nanostructurate, tintelor de pulverizare si a acoperirilor nanostructurate. Au fost intocmite 3 dosare de certificari prototipuri (1) materiale nano si microstructurate pe baza de pulberi Ag-TiO2 (PV certificare 42/25.09.2017) (2) tinte de pulverizare pe baza de Ag-TiO2 (PV certificare 43/25.09.2017) si (3) acoperiri nanostructurate pe baza de Ag-TiO2 cu activitate antimicrobiana (PV certificare 44)/25.09.2017, care contin documentele specifice de certificare intocmite conform procedurii de certificare a produselor PS-P-02.2 elaborata de INCDIE ICPE-CA, si anume 3 specificatii tehnice definitivate (ST 1145/08.08.2017, ST 115/08.08.2017, ST 116/08.08.2017), 3 proceduri de lucru (PL-MAv-32, PL-MAv-33, PL-MAv-34), 3 fise de urmarire in executie a produselor (FU-MAv-32, FU-MAv-33, FU-MAv-34) si 3 fise tehnice de produs pentru prototipurile de materiale si acoperiri nanostructurate si de tinte de pulverizare din Ag-TiO2.
Capitolul 4.10. prezinta activitatea A.4.11.-Realizarea unor produse finite acoperite, in care partenerul P2 - SC MGM STAR CONSTRUCT SRL a realizat functionalizarea a 20 produse finite (instrumente chirurgicale din otel inox de tip foarfeci, pense chirurgicale si lame de bisturiu) cu acoperiri nanostructurate de Ag-TiO2 cu activitate antimicrobiana.
Capitolele 4.11.-4.13. prezinta activitatile A.4.12-Diseminarea rezultatelor proiectului prin comunicarea si publicarea nationala sau internationala a rezultatelor proiectului si actualizarea paginii web a proiectului, A.4.13.-Participarea la manifestari tehnico-stiintifice nationale si internationale din domenii specifice proiectului, A.4.14.-Managementul si coordonarea proiectului; Elaborarea raportului de etapa (tehnico-stiintific si financiar) si a raportului final. In cadrul acestor activitati, printr-un management eficient partenerii proiectului au elaborat raportul de etapa si raportul final, a fost actualizata pagina web a proiectului , au fost elaborate si trimise spre publicare 2 articole intr-un jurnal ISI si un jurnal BDI, au fost realizate 3 participari la manifestari tehnico-stiintifice internationale din domenii specifice proiectului (2 saloane de inventii: PRO INVENT 2017, 22-24.03.2017, Cluj Napoca, România si EUROINVENT 2017, 25-27.05.2017, Iasi, România si manifestarea internationala ECCMID 2017, April 22-25, 2017, Austria, Viena), au fost comunicate 2 postere (in română si in engleză) pentru o cerere de brevet de inventie (CBI A00605/2015) la cele 2 manifestari tehnico-stiintifice mentionate mai sus, au fost publicate 2 abstracte in cataloagele saloanelor de inventii mentionate si au fost acordate 3 premii de catre Presedintele comisiilor de jurizare a inventiilor prezentate. In urma indeplinirii activitatilor A.4.1-A.4.14. s-au obtinut urmatoarele rezultate: 3 specificații tehnice (ST) definitivate; 5 prototipuri (pulberi compozite MN Ag-TiO2, pulberi compozite MM Ag-TiO2; ținte de pulverizare ȚP MN Ag-TiO2, ținte de pulverizare ȚP MM Ag-TiO2, acoperiri nanostructurate antimicrobiene din Ag-TiO2) 3 dosare de certificare a celor 5 tipuri de prototipuri, care includ cele 3 ST-uri definitivate, 3 proceduri de lucru (PL), 3 fise de urmarire in executie (FU) a produselor, 3 fise tehnice de produs, 16 Rapoarte de incercari si 2 Rapoarte de testare; 20 produse finite acoperite; 3 participări la manifestări tehnico-stiintifice internationale din domenii specifice proiectului; 2 postere comunicate si 2 abstracte publicate in volumele manifestarilor tehnico-stiintifice; 3 premii; 2 articole trimise spre publicare; pagina web a proiectului in română actualizată pe site-ul CO; pagina web a proiectului in engleză actualizată pe site-ul creat pe ResearchGate; raportul de etapă 4/2017; raportul final.
Avand in vedere rezultatele obtinute in cele 4 etape de realizare a proiectului (2014-2017) se considera indeplinite activitatile si obiectivele tehnico-stiintifice prevazute in Planul de realizare a proiectului si in propunerea de proiect PN-II-PT-PCCA-2013-4-1292, contract nr. 215/2014.
DESCRIEREA ŞTIINŢIFICĂ ŞI TEHNICĂ
Scopul Etapei 4/2017 a fost elaborarea si certificarea unor prototipuri de materiale si acoperiri nanostructurate antimicrobiene, precum si de prototipuri de tinte de pulverizare pe baza de Ag-TiO2 si caracterizarea acestora din punct de vedere structural, fizic, chimic, mecanic, tribologic, electrochimic si biologic, conform conditiilor tehnice impuse in specificatiile tehnice definitivate in aceasta etapa. De asemenea a fost demonstrata functionalitatea acoperirilor de Ag-TiO2 prin testarea rezistentei acoperirilor la atac chimic cu acid ortofosforic, determinarea proprietatilor electrochimice in solutie Ringer, determinarea activitatii antimicrobiene si a citotoxicitatii, conform standardelor in vigoare si realizarea unor produse finite (instrumente chirurgicale critice de tip foarfeci, pense chirurgicale si lame de bisturiu). Diseminarea pe scara larga a rezultatelor proiectului s-a realizat prin comunicarea si publicarea nationala sau internationala a rezultatelor proiectului, actualizarea paginii web a proiectului si participarea la manifestari tehnico-stiintifice nationale si internationale din domenii specifice proiectului.
Capitolul 4.1. Demonstrarea functionalitatii modelelor de acoperiri nanostructurate
selectate in urma caracterizarilor si testelor efectuate
Demonstrarea functionalitatii modelelor experimentate de acoperiri nanostructurate selectate in urma caracterizarilor si testelor efectuate in Etapa 3/2016 (probe de acoperiri din Ag-TiO2, codificate b004 si b005 in Etapa 3/2016) s-a realizat prin testarea rezistentei la atac chimic cu acid ortofosforic, acid care ataca puternic otelul inox de tip 316L folosit ca substrat. Testul s-a realizat prin stergere cu acid ortofosforic (H3PO4, 85%, Merck) a unei portiuni din acoperire, respectiv stergere integrala a suprafetei acoperite (Fig. 4.1.). Se observa faptul ca proba b005 (P2.4 Ag-TiO2Mp (AM-A) de grosime 500 nm depusa pe substrat din otel inox de tip 316L) netratata termic dupa depunere, care a fost atacata chimic cu acid ortofosforic a avut o rezistenta buna la acid, iar acoperirea a ramas aderenta de substrat.
Fig. 4.1. Proba de acoperire b005 netratata termic dupa depunere (a), stearsa cu acid ortofosforic in jumatatea din dreapta a acoperirii (b), stearsa cu acid ortofosforic pe toata suprafata acoperita (c).
Capitolul 4.2. Definitivare specificatii tehnice materiale nanostructurate cu activitate antimicrobiana, tinte
de pulverizare si acoperiri nanostructurate antimicrobiene
In cadrul activitatilor A.4.2 si A.4.3, coordonatorul proiectului - CO, prin Directorul de proiect, Dr. Ing. Magdalena-Valentina Lungu a definitivat cele trei specificatii tehnice (ST), care au fost elaborate in etapa 3/2016:
(1) ST 114/08.08.2017, care inlocuieste ST 111/29.11.2016 ˮMateriale nano şi microstructurate pe bază de pulberi compozite de argint-dioxid de titanˮ;
(2) ST 115/08.08.2017, care inlocuieste ST 112/29.11.2016 ˮȚinte de pulverizare pe bază de argint-dioxid de titanˮ;
(3) ST 116/08.08.2017, care inlocuieste ST 113/29.11.2016 ˮAcoperiri nanostructurate pe bază de argint-dioxid de titan cu activitate antimicrobianăˮ.
Cele trei ST-uri au fost discutate in sedinta din data de 08.08.2017 (PV nr. 3145/08.08.2017 de discutare ST 114/08.08.2017, PV nr. 3145/08.08.2017 de discutare ST 115/08.08.2017 si PV nr. 3147/08.08.2017 de discutare ST 116/08.08.2017) si aprobate de catre membrii comisiilor de discutare si aprobare a ST-urilor mentionate mai sus (PV nr. 3148/08.08.2017 de aprobare ST 114/08.08.2017, PV nr. 3149/08.08.2017 de aprobare ST 115/08.08.2017 si PV nr. 3150/08.08.2017 de aprobare ST 116/08.08.2017).
Componenta comisiilor de discutare si aprobare a acestor ST-uri a fost stabilita prin Deciziile INCDIE ICPE-CA nr. 103/03.07.2017, 104/03.07.2017 si 105/03.07.2017). Comisiile de discutare si aprobare a ST-urilor definitivate au fost constituite din Dr. Ing. Enescu Elena (Presedinte, Director tehnic INCDIE ICPE-CA), Dr. Ing. Lucaci Mariana (Vicepresedinte, Sef DMAv, INCDIE ICPE-CA), Sing. Tanase Stefania
a) b) c)
(Responsabil Standardizare, INCDIE ICPE-CA), Dr. Ing. Ilie Cristinel (Responsabil CTC, INCDIE ICPE-CA), Dr. Ing. Lungu Magdalena Valentina (Director de proiect, DMAv, INCDIE ICPE-CA), specialisti ai INCDIE ICPE-CA responsabili cu testele si analizele specificate in ST-uri (Dr. Fiz. Patroi Delia, Dr. Ing. Cirstea Diana, Dr. Ing. Ion Ioana, Dr. Ing. Dorinel Talpeanu, Dr. Fiz. Gabriela Sbarcea, Drd. Fiz. Marinescu Virgil, Ing. Mitrea Sorina, Ing. Grigore Florentina, Ing. Alexandra Bratulescu, Dr. Chim. Barbu Paula, Dr. Chim. Iordoc Mihai) si reprezentanti ai partenerilor proiectului si a potentialilor beneficiari: Prof. Dr. Chifiriuc Mariana Carmen (Responsabil de proiect, Universitatea din Bucuresti), Dr. Popa Marcela (Universitatea Bucuresti) si Drd. Fiz. Sobetkii Arcadie (Responsabil de proiect, MGM STAR CONSTRUCT S.R.L. Bucuresti).
Documentele mentionate mai sus (ST-uri si PV-uri) sunt anexate dosarelor de certificare aferente prototipurilor de materiale nanostructurate cu activitate antimicrobiana, tinte de pulverizare si acoperiri nanostructurate antimicrobiene realizate. Capitolul 4.3. Achizitionarea partiala a logisticii necesare (materii prime, materiale consumabile, piese
de schimb, echipamente, terti) pentru realizarea obiectivelor proiectului Pentru indeplinirea obiectivelor proiectului si a activitatilor propuse in Etapa 4/2017 in Planul de realizare
a proiectului INMATCO, partenerii proiectului (CO, P1, P2) au efectuat cheltuieli de materii prime, materiale consumabile, piese de schimb, echipamente, terţi, etc., care sunt prezentate in Fisa de evidenta a cheltuielilor (FEC), anexata acestei etape.
Capitolul 4.4. Realizarea prototipurilor de materiale nanostructurate,
tinte de pulverizare si acoperiri nanostructurate
Prototipurile de materiale nanostructurate, tinte de pulverizare si acoperiri nanostructurate au fost receptionate de catre membrii comisiilor de certificare, conform PV de receptie a executiei prototipurilor MN Ag-TiO2 si MM Ag-TiO2 nr. 3151/08.08.217, PV de receptie a executiei prototipurilor TP MN Ag-TiO2 si TP MM Ag-TiO2 nr. 3152/08.08.217 si PV de receptie a executiei prototipurilor AN Ag-TiO2 nr. 3153/08.08.217.
Prototipurile de materiale nanostructurate(MN Ag-TiO2 si MM Ag-TiO2), tinte de pulverizare(ȚP MN Ag-TiO2 si ȚP MM Ag-TiO2) si acoperirinanostructurate (AN Ag-TiO2) au fost realizateconform documentaţiei de execuţie, respectiv aprocedurilor de lucru (PL) elaborate in cadruldosarelor de certificare prototipuri (anexate Raportuluide etapa nr. 4/2017), insotite de fisa de urmarire inexecutie a produselor (FU) si anume: (1) PL-MAv-32 din 09.08.2017 - Procedura de lucru
realizare materiale nano şi microstructurate pebază de pulberi compozite de argint-dioxid de titan(MN Ag-TiO2 şi MM Ag-TiO2), insotita deFU-MAv-32;
(2) PL-MAv-33 din 10.08.2017 - Procedura de lucrurealizare ținte de pulverizare pe bază de argint-dioxid de titan (ȚP MN Ag-TiO2 şi ȚP MMAg-TiO2), insotita de FU-MAv-33;
(3) PL-MAv-34 din 22.08.2017 - Procedura de lucrurealizare acoperiri nano-structurate pe bază deargint-dioxid de titan cu activitate antimicrobiană(AN Ag-TiO2), insotita de FU-MAv-34. Fisele tehnice de produs sunt prezentate in
Fig. 4.2...4.4.
Fig. 4.2. Fisa tehnica produse MN Ag-TiO2 si MM Ag-TiO2.
Capitolul 4.5. Caracterizarea fizico-chimica si structurala a prototipurilor de materiale nanostructurate, tinte de pulverizare si acoperiri nanostructurate
4.5.1. Verificarea aspectului exterior si determinarea densitatii aparente a pulberilor compozite
de Ag-TiO2
Aspectul exterior al prototipurilor de pulberi compozite de Ag-TiO2 (MN Ag-TiO2 si MM Ag-TiO2) s-a verificat vizual. Determinarea densitatii aparente a prototipurilor de pulberi compozite de Ag-TiO2 (MN Ag-TiO2 si MM Ag-TiO2) s-a realizat conform SR EN ISO 23145-2:2016 [4.1] si ST 114/08.08.2017, pe esantioane de pulberi cu masa de 50 g. In acest scop a fost folosit un aparat Hall pentru determinarea densităţii aparente pulberi, cu palnie metalica cu orificiu de 5 mm si recipient metalic de colectare pulberi, cu volumul de 25 cm3, in urmatoarele conditii de mediu: Taer = 25 ± 2 C, Urelativa a aerului = 30 ± 5 %.
4.5.2. Rezultate obţinute in urma verificarii aspectului exterior si determinarii densitatii aparente a
pulberilor compozite de Ag-TiO2 Probele de prototipuri MN Ag-TiO2 si MM Ag-TiO2 au avut o culoare uniformă, fără incluziuni străine,
corespunzand conditiei impuse in ST 114/08.08.2017, pct. 2.1. Valorile densitatii aparente pentru probele MN Ag-TiO2, respectiv pentru probele MM Ag-TiO2 testate sunt prezentate in Raportul de incercari INCDIE ICPE-CA nr. 3b/09.08.2017.
Probele de prototipuri MN Ag-TiO2 si MM Ag-TiO2 au avut valori ale densitatii aparente de 0,399...0,404 g/cm3, respectiv de 0,735...0,750 g/cm3, corespunzand conditiei impuse in ST 114/08.08.2017, pct. 2.5 pentru densitatea aparentă de minim 0,31 g/cm3 pentru pulberile compozite MN Ag-TiO2 şi de minim 0,48 g/cm3 pentru pulberile compozite MM Ag-TiO2.
Fig. 4.3. Fisa tehnica produse TP MN Ag-TiO2 si MM Ag-TiO2.
Fig. 4.4. Fisa tehnica produse AN Ag-TiO2.
4.5.3. Determinarea densitatii tintelor de pulverizare pe baza de Ag-TiO2
Densitatea tintelor de pulverizare pe baza de Ag-TiO2 s-a determinat conform SR EN 1389:2004 [4.2]
si ST 115/08.08.2017 cu o balanţa analitica, de tip Kern AEJ-220-4 şi kitul aferent acesteia AES A01. Conditiile de mediu in timpul incercarilor au fost: Taer = 20 ± 2 C, Urelativa a aerului = 30 ± 5 %.
4.5.4. Rezultate obţinute pentru densitatea tintelor de pulverizare pe baza de Ag-TiO2 Valorile densitatii probelor TP MN Ag-TiO2, respectiv TP MM Ag-TiO2 testate sunt redate in Raportul
de incercari INCDIE ICPE-CA nr. 5b/17.08.2017. Probele de prototipuri ŢP MN Ag-TiO2 si ŢP MM Ag-TiO2 au avut valori ale densitatii medii de 4,0411–
4,0556 g/cm3, respectiv de 4,0869-4,1042 g/cm3, corespunzand conditiei impuse in ST 115/08.08.2017, pct. 2.5 pentru densitate de minim 3,93 g/cm3 pentru tintele de pulverizare pe baza de Ag-TiO2.
4.5.3. Verificarea formei şi dimensiunilor de particule prin microscopie electronica de baleiaj (SEM) Verificarea formei şi dimensiunilor de particule ale pulberilor compozite de Ag-TiO2 s-a realizat conform
PI-16, Ed.2, act. 0/02.2015 [4.3] si ST 114/08.08.2017. Esantioanele supuse analizei au fost vizualizate cu ajutorul statiei de lucru de tip Auriga FESEM-FIB (Carl Zeiss, Germania) prin intermediul detectorului de electroni secundari/ioni (SESI) din camera de proba pentru studiul morfologic si topografic al suprafetei.
4.5.4. Rezultate obţinute in urma analizei SEM a pulberilor compozite de Ag-TiO2 Rezultatele analizei SEM sunt prezentate in Raportul de incercari INCDIE ICPE-CA nr. 22/06.09.2017.
In Fig. 4.5...4.8. prezinta exemplificari ale imaginilor SEM pulberi MN Ag-TiO2 si MM Ag-TiO2 selectate.
Fig. 4.5. Imagine SEM pulbere MN Ag-TiO2 - proba 1,
marire de 100000X
Fig. 4.6. Imagine SEM pulbere MN Ag-TiO2 - proba 1,
marire de 100000X, cu determinarea dimensiunilor particulelor
Fig. 4.7. Imagine SEM pulbere MM Ag-TiO2 - proba 1,
marire de 100000X
Fig. 4.8. Imagine SEM pulbere MM Ag-TiO2 - proba 1,
marire de 100000X, cu determinarea dimensiunilor particulelor
Probele MN Ag-TiO2 si MM Ag-TiO2 au avut forme şi dimensiuni de particule de Ag si de TiO2 care au
corespuns conditiei impuse in ST 114/08.08.2017, pct. 2.2. 4.5.5. Analiza chimica elementala prin tehnica spectrometriei de fluorescenta de raze X Analiza chimica elementala a probelor de prototipuri MN Ag-TiO2 si MM Ag-TiO2 s-a realizat conform
Procedurii de incercare PI 18/2013, instructiunile de lucru cuprinse in manualul de operare al echipamentului „Spectrometru cu raze X tip S8 Tiger” si ST 114/08.08.2017. Probele au fost analizate in mod direct, dupa presare in capsulele dedicate efectuarii analizei. Analiza s-a efectuat pe aparatul: spectrometru secvential de fluorescenta de raze X cu dispersie dupa lungimea de unda (WDXRF) tip S8 Tiger, cu limita de detectie: ppm-100%, domeniu de analiza: Na (sodiu) – U (uraniu), gaze de lucru: amestec P10 (argon + metan).
4.5.6. Rezultate obţinute in urma analizei XRF Rezultatele obtinute pe cele 6 esantioane de pulberi MN Ag-TiO2 si MM Ag-TiO2 analizate mecanice sunt
prezentate in Raportul de incercari INCDIE ICPE-CA nr. 19/17.08.2017 si sunt in concordanta cu cerinta ST 114/08.08.2017, pct. 2.4 privind compozitia chimica a pulberilor tip Ag-TiO2.
Rezultatele obtinute pe cele 6 tinte analizate prin spectrometrie XRF sunt prezentate in Raportul de incercari INCDIE ICPE-CA nr. 20/17.08.2017 si sunt in concordanta cu cerinta ST 115/08.08.2017, pct. 2.4 privind compozitia chimica.
4.5.7. Determinarea compoziţiei chimice a acoperirilor nanostructurate de Ag-TiO2 Determinarea compoziţiei chimice prin microscopie electronica de baleiaj cu analiza chimica prin
intermediul micro-sondei dispersive de energie s-a realizat conform PI-16, Ed.2, act.0/02.2015 si ST 116/08.08.2017. Probele de analizat nu au suferit prelucrari mecanice sau chimice si au fost atasate de suportul de aluminiu cu ajutorul unei benzi conductoare de carbon produsa de firma Agar. Esantioanele supuse analizei au fost vizualizate cu ajutorul statiei de lucru de tip FESEM-FIB model Auriga produs de Carl Zeiss Germania prin intermediul detectorului de electroni secundari/ioni (SESI) din camera de proba pentru studiul morfologic si topografic al suprafetei. Verificarea compozitiei chimice s-a realizat cu ajutorul sondei EDS (spectru dispersiv de energie pentru radiatia X caracteristica) produsa de Oxford Instruments model IncaPET X3 racita cu azot lichid integrata pe statia de lucru FESEM-FIB Auriga. Au fost preluate si analizate imagini de topografie de electroni secundari (SE) pentru analize semicantitativa a unei microarii de interes de pe suprafata probei si integrarea semicantitativa a elementelor identificate.
4.5.8. Rezultate obţinute in urma analizei EDX
Rezultatele EDX pentru probele de prototipuri AN Ag-TiO2 analizate sunt prezentate in Raportul de incercari INCDIE ICPE-CA nr. 21/06.09.2017.
Acoperirile nanostructurate pe baza de Ag-TiO2 contin elementele Ti, Ag si O in procente masice care corespund conditiei impuse in ST 116/08.08.2017, pct. 2.4.
4.5.9. Determinarea calitativa de faza prin difractie de raze X Determinarea calitativa de faza prin difractie de raze X a probelor de prototipuri MN Ag-TiO2,
MM Ag-TiO2, ȚP MN Ag-TiO2, ȚP MM Ag-TiO2 si AN Ag-TiO2 s-a realizat conform PI-04 SR EN 13925-1, 2:2003, SR EN 13925-3:2005, ST 114/08.08.2017, ST 115/08.08.2017 si ST 116/08.08.2017. Masuratorile au fost realizate cu un difractometru de raze X Bruker-AXS tip D8 ADVANCE, cu tub de raze X cu anod de Cu, 40 kV/40 mA, pas: 0.04 o, timp de masurare pe punct: 2 s, domeniu de masura 2θ = 10o – 100o.
4.5.10. Rezultate obţinute in urma analizei XRD Valorile dimensiunii de cristalit ale probelor MN Ag-TiO2, MM Ag-TiO2, ȚP MN Ag-TiO2 si ȚP MM
Ag-TiO2 sunt redate in Raportul de incercari INCDIE ICPE-CA nr. 16/11.08.2017. Probele MN Ag-TiO2 si MM Ag-TiO2 au avut valori ale dimensiunii de cristalit de 20-21 nm, respectiv
62-64 nm, corespunzand conditiei impuse in ST 114/08.08.2017, pct. 2.3 pentru dimensiunea de cristalit de 15-30 nm pentru pulberile compozite MN Ag-TiO2 si de 50-80 nm pentru pulberile compozite MM Ag-TiO2.
Probele de prototipuri de acoperiri nanostructurate pe baza de Ag-TiO2 (AN Ag-TiO2) contin faza cristalografica tetragonala TiO2 anatas, corespunzand conditiei impuse in ST 116/08.08.2017, pct. 2.3.
Probele ȚP MN Ag-TiO2 si ȚP MM Ag-TiO2 au avut valori ale dimensiunii de cristalit in intervalul 56-60 nm, corespunzand conditiei impuse in ST 115/08.08.2017, pct.2.3 pentru dimensiunea de cristalit de 30-60 nm.
Capitolul 4.6. Caracterizarea mecanica a prototipurilor de tinte de pulverizare
4.6.1. Caracterizarea mecanica a prototipurilor de tinte de pulverizare Caracterizarea mecanica a prototipurilor de tinte de pulverizare TP MN Ag-TiO2 si TP MM Ag-TiO2 s-a
realizat prin teste de determinare a duritatii Vickers HV2/15, cu un microdurimetru Vickers tip FM700, conform SR EN 843-4, PI-1 INCDIE ICPE-CA, IL-I-01 INCDIE ICPE-CA si ST 115/08.08.2017. Conditiile de incercare au fost urmatoarele: sarcina de amprentare: 2 kgf, durata amprentarii:15 s, temperatura mediului ambiant: 26ºC, umididatea relativa a aerului: 30%.
4.6.2. Rezultate obţinute in urma testelor mecanice de determinare a duritatii Vickers Valorile duritatii Vickers HV2/15 si valoarea medie calculata pentru probele de prototipuri de tinte de
pulverizare TP MN Ag-TiO2 si TP MM Ag-TiO2 supuse incercarii mecanice sunt prezentate in Raportul de incercari INCDIE ICPE-CA nr. 18/16.08.2017.
Probele TP MN Ag-TiO2 si TP MM Ag-TiO2 au avut valori ale duritatii Vickers HV2/15 ce corespund conditiei impuse in ST 115/08.08.2017, pct. 2.6 pentru valoarea duritatii Vickers de minim 510 HV2/15.
Capitolul 4.7. Caracterizarea electrochimica, mecanica si tribologica a prototipurilor de acoperiri nanostructurate, studiul grosimii si aderentei straturilor subtiri de prototipuri de acoperiri
4.7.1. Caracterizarea electrochimica a prototipurilor de acoperiri nanostructurate
Caracterizarea electrochimica a prototipurilor de acoperiri nanostructurate AN Ag-TiO2 s-a realizat conform standardului ASTM G 102-89 (2015) [4.4] si ST 116/08.08.2017. Pentru masuratori a fost folosita o combina electrochimica “All-in-one” model PGZ 301 VoltaLab 40 (Radiometer Analytical, Franta) conectată la o celulă standard cu 3 electrozi, model X51V001 (Radiometer Analytical); electrodul de referinţă a fost un electrod de Ag/AgCl, model XR100 (Radiometer Analytical), contraelectrodul a fost un electrod de platină, model XM140 (Radiometer Analytical), iar electrodul de lucru a fost proba de testat - acoperire nanostructurata de Ag-TiO2 (AN Ag-TiO2). Curbele de polarizare potentiodinamica au fost inregistrate pe un domeniu de potenţial de -1000 mV/Ag/AgCl+1000 mV/Ag/AgCl fata de potentialul stationar, cu o viteza de baleiere a potentialului de 0,5 mV/s, in soluţie Ringer, la temperatura de 25ºC şi presiunea de 1 atm. Compozitia solutiei Ringer folosita este urmatoarea: clorură de sodiu (NaCl) 8,60 g/l, clorură de potasiu (KCl) 0,30 g/l si clorură de calciu dihidrat (CaCl2
.2H2O) 0,33 g/l. Osmolaritatea teoretica este 309 mOsm/l. Rezistenta la polarizare (Rp) si viteza de coroziune (vcor) s-au determinat prin metoda extrapolarii
dreptelor Tafel din curbele de polarizare potentiodinamica. 4.7.2. Rezultate obţinute in urma testelor electrochimice Rezultate obţinute in urma testelor electrochimice pentru probele de prototipuri AN Ag-TiO testate in
electrolit Ringer sunt prezentate in Raportul de incercari INCDIE ICPE-CA nr. 7b/29.08.2017. Probele de prototipuri AN Ag-TiO2 au avut valori ale rezistenţei la coroziune în soluţie Ringer de
5,208...9,801 μm/an, corespunzand conditiei impuse in ST 116/08.08.2017, pct. 2.7 pentru rezistenţa la coroziune în soluţie Ringer pentru acoperirile nanostructurate de Ag-TiO2 (AN Ag-TiO2) de maxim 27 μm/an.
4.7.3. Caracterizarea mecanica a prototipurilor de acoperiri nanostructurate; studiul grosimii si
aderentei straturilor subtiri de prototipuri de acoperiri (i) Caracterizarea mecanica a prototipurilor AN Ag-TiO2 s-a realizat prin teste de microzgâriere cu un
echipament Micro-Combi Tester (CSM Instruments, Elvetia), dotat cu modul de microzgariere (MST) cu varf Rockwell de diamant cu raza de 200 m si cu microscop optic cu obiective 5x, 20x, 50x si 100x, conform standardelor ASTM C1624-05 (2015) [4.5], DIN EN 1071-3:2005-10 [4.6] si SR EN ISO 20502:2016 [4.7]. Testele de zgariere au constat in determinarea fortelor critice optice (Lc), care reprezinta sarcinile la care apar defecte recunoscute in probele de acoperiri investigate care au fost zgariate la temperatura ambianta cu un varf Rockwell cu o forta de zgariere progresiva (Fn) de la 0,03 N la 20 N, cu o viteza constanta de 0,3 mm/min pe o lungime de 3 mm, viteza de incarcare a sarcinii de 2 N/min si forta de contact la pre-scanare (reprezentata de curba adancimii de penetrare (Pd)), scanare si post-scanare (reprezentata de curba adancimii de penetrare reziduala (Rd)) de 30 mN. Fortele critice optice s-au determinat din curbele inregistrate si din imaginile achizitionate prin analiza optica (20x) cu optiunea Panorama a software-ului de achizitie a datelor.
(ii) Studiul grosimii straturilor subtiri s-a realizat cu un sistem Calotest Compact (Anton Paar, Elvetia), conform standardului SR EN ISO 26423:2016 [4.8], prin metoda „ball cratering” (şlefuirea unei calote) pe probe de prototipuri de acoperiri de Ag-TiO2 depuse pe substrat de otel inox 316L cu diametrul de 25 mm si grosime 1 mm si tratate termic. Testele au constat in erodarea stratului subtire de Ag-TiO2 cu o bila din otel inox 100Cr6, pe care s-a aplicat o suspensie abraziva de diamant (dimensiune particule de diamant de 0,5-1 µm), bila fiind rotita cu un arbore de antrenare din otel. In urma procesului de frecare abraziva dintre bila si suprafata probei acoperite rezulta un microcrater de uzare sub forma de calota sferica, atat in strat, cat si in substrat. Craterul format a fost analizat optic la microscopul atasat echipamentului Micro-Combi Tester (obiectiv 5x), astfel grosimea stratului de Ag-TiO2 s-a determinat cu optiunea Calotest.
4.7.4. Rezultate obţinute in urma testelor mecanice de microzgâriere si de şlefuire a unei calote (i) Rezistenta la microzgâriere Fig. 4.9 prezinta rezultatele testelor de zgâriere ale probelor de prototipuri de acoperiri AN Ag-TiO2:
imaginile optice (Panorama) ale profilului topografic al suprafetelor probelor acoperite cu evidentierea fortelor critice (LC1, LC2, LC3) si curbele inregistrate in timpul testelor de zgâriere (Fn, Pd, Rd si profilul suprafetei, functie de distanta de zgâriere).
a) b) c) Fig. 4.9. Imaginile optice (Panorama) ale profilului topografic al suprafetelor probelor acoperite
AN Ag-TiO2 si curbele inregistrate la microzgâriere pentru a) proba 1, b) proba 2, c) proba 3. Probele de acoperiri AN Ag-TiO2 au prezentat valori apropiate ale fortelor critice atribuite aceluiasi tip
de distrugere a suprafetei acoperirilor. Fortele critice au reprezentat trei tipuri principale de distrugeri: LC1 - inceputul desprinderilor interfaciale, cu defecte minore longitudinale (tensiuni Hertziene) ale acoperirilor la marginile urmei de zgâriere, LC2 (forta de adeziune) - desprinderi interfaciale de-a lungul marginilor urmei de zgâriere cu perforare ductila continua a acoperirii, fara expunerea substratului din otel inox, LC3 (forta de coeziune) - exfoliere totala a stratului de acoperire nanostructurata, cu expunerea substratului din otel inox.
Pentru proba 1 s-au determinat urmatoarele valori ale fortelor critice: LC1 = 4,32 N, LC2 = 7,30 N si LC3 = 8,90 N, pentru proba 2 au rezultat valorile LC1 = 4,35 N, LC2 = 7,92 N si LC3 = 9.77 N si pentru proba 3 au rezultat valorile LC1 = 4,22 N, LC2 = 7,45 N si LC3 = 9,15 N.
Se remarca cresterea adancimii de penetrare (Pd) cu cresterea distantei de zgâriere. (ii) Grosimea straturilor subtiri Valorile grosimii acoperirilor probelor AN Ag-TiO2 testate cu sistemul Calotest sunt prezentate in
Raportul de incercari INCDIE ICPE-CA nr. 8b/30.08.2017. Probele de prototipuri de acoperiri AN Ag-TiO2 au avut valori ale grosimii acoperirilor de 498...500 nm,
corespunzand conditiilor impuse in ST 116/08.08.2017, pct. 2.2 pentru grosimea acoperirilor nanostructurate pe bază de Ag-TiO2 depuse pe substrat de otel inox de 100…1000 nm. Grosimea acoperirilor AN Ag-TiO2 determinata prin metoda „ball cratering” este in concordanta cu grosimea stratului depus (500 nm) monitorizat cu sistemul cu cuart XTC INFICON aferent instalatiei de depunere in vid Balzers BAK-600.
4.7.5. Caracterizarea tribologica a prototipurilor de acoperiri nanostructurate Testele tribologice s-au realizat la temperatura camerei (Taer = 30 ± 2 C, Urelativa a aerului = 33 ± 3 %) cu un
tribometru standard de tip bila-pe-disc echipat cu modul rotativ (CSM Instruments, Elvetia) în condiţii de lubrifiere uscată, cu o sarcină de 0,5 N, partener static bilă de oţel 100Cr6 de diametru 6 mm, viteza liniară constantă de 3 cm/s, raze de alunecare de 4 mm, 6 mm, 8 mm si 10 mm şi distanţe de alunecare de 10 m, 50 m, 100 m si 200 m. Testele tribologice s-au realizat conform ASTM G99-17 [4.9], SR EN 1071-13:2010
[4.10] ASTM G133-95 [4.11] şi ST 116/08.08.2017 pe prototipuri de acoperiri nanostructurate de Ag-TiO2 (AN Ag-TiO2) de grosime 500 nm depuse pe discuri de otel inox 316L cu diametrul de 25±0,1 mm şi înălţimea de 1±0,1 mm. Aria urmei de uzura [µm2] s-a determinat cu un profilometru Surtonic S25 (Taylor Hobson, UK) cu vârf standard din diamant cu raza de 5 m, pentru o lungime de evaluare a probei de 4 mm si o lungime de unda de prag (Cut-off) de 0,8 mm, utilizand un filtru Gaussian digital.
4.7.6. Rezultate obţinute in urma testelor tribologice Rezultate obţinute pentru probele de prototipuri AN Ag-TiO2 testate tribologic (în conditii de lubrifiere
uscată) sunt prezentate in Raportul de incercari INCDIE ICPE-CA nr. 6b/18.08.2017. Probele AN Ag-TiO2 au avut valori ale coeficientului mediu de frecare incluse in intervalul 0,173...0,691
si ale vitezei specifice de uzura de maxim 71,08 x 10-5 mm3/(N.m), corespunzand conditiilor impuse in ST 116/08.08.2017, pct. 2.5 si 2.6 pentru coeficientul mediu de frecare (în conditii de lubrifiere uscată) de 0,1…0,7 si pentru viteza specifică de uzură de maxim 95x10-5 mm3/(N.m).
Capitolul 4.8. Evaluarea activitatii antimicrobiene a prototipurilor
de materiale si acoperiri nanostructurate
4.8.1. Determinarea activităţii antimicrobiene si antibiofilm a materialelor nanostructurate Determinarea activităţii antimicrobiene a prototipurilor de materiale nano şi microstructurate pe bază de
pulberi compozite de Ag-TiO2 (MN Ag-TiO2 si MM Ag-TiO2) s-a realizat conform Standard CLSI (Clinical Laboratory Standards Institute) M27-S4, ed.4, 2012 [4.12], Standard CLSI M100-S26, ed. 26, 2015 [4.13], PI-1-ICUB, Ed.1, act. 0/1.01.2015 [4.14] si ST 114/08.08.2017. Probele, după cântărire şi dizolvare în DMSO (dimetilsulfoxid) au fost puse în contact cu tulpinile microbiene de testat (Staphylococcus aureus ATCC 25923, Escherichia coli ATCC 25922, Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853, Enterococcus faecalis ATCC 29212, Candida albicans ATCC 10231), incubate 24 de ore la 37oC şi prelucrate conform procedurii PI-1-ICUB, Ed.1, act. 0/1.01.2015: “Determinarea activităţii antibiofilm prin metoda microtitrării cu cristal violet”.
4.8.2. Rezultate obţinute la evaluarea activităţii antimicrobiene si antibiofilm a materialelor
nanostructurate Rezultate obţinute la evaluarea activităţii antimicrobiene si antibiofilm a materialelor nanostructurate
pentru valorile concentraţiei minime inhibitorii (CMI) si valorile concentraţiei minime de eradicare a biofilmului (CMEB) pentru probele MN Ag-TiO2 şi MM Ag-TiO2 testate sunt prezentate in Raportul de testare Universitatea Bucuresti, Facultatea de Biologie nr. 446/19.09.2017.
Probele de prototipuri MN Ag-TiO2 şi MM Ag-TiO2 testate au îndeplinit cerinţele impuse de ST 114/08.08.2017, pct. 2.6 si pct. 2.7, având valori CMI < 2,5 mg/ml şi valori CMEB ≤ 2,5 mg/ml.
4.8.3. Determinarea activităţii antibiofilm a acoperirilor nanostructurate Determinarea activităţii antibiofilm a prototipurilor de acoperiri AN Ag-TiO2 s-a realizat pe esantioane
de acoperiri nanostructurate de Ag-TiO2 depuse pe substrat din otel inox 316L de dimensiuni: Ø 10 0,1 mm si h 1 0,01 mm conform ASTM E 2149-13a [4.15], SR EN ISO 10993-1:2010 [4.16] si ST 116/08.08.2017. Probele, după sterilizare sub lampă UV (putere 50 W), au fost puse în contact cu tulpinile microbiene de testat (Staphylococcus aureus ATCC 25923, Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853, Candida albicans ATCC 10231), incubate la 37oC timp de 24, 48 şi respectiv 72 de ore, au fost prelucrate conform procedurilor menţionate şi s-a determinat numărul de microorganisme viabile prin determinarea numărului de unităţi formatoare de colonii (UFC/ml).
4.8.4. Rezultate obţinute la evaluarea activităţii antibiofilm a acoperirilor nanostructurate Rezultatele activitatii antibiofilm pentru probele de prototipuri de acoperiri AN Ag-TiO2 testate au fost
prezentate in Raportul de testare Universitatea Bucuresti, Facultatea de Biologie nr. 445/19.09.2017. Probele AN Ag-TiO2 analizate au îndeplinit cerinţele impuse de ST 116/08.08.2017 pct. 2.8. inhibând
aderenţa şi dezvoltarea biofilmelor formate de tulpini bacteriene şi levurice, cu cel puţin un logaritm zecimal (lg) al numărului de celule microbiene viabile, exprimate în unităţi formatoare de colonii (UFC/ml).
4.8.5. Verificarea citotoxicităţii acoperirilor nanostructurate Verificarea citotoxicitatii prototipurilor de acoperiri AN Ag-TiO2 s-a realizat conform SR EN ISO
10993-5:2009 [4.17] si ST 116/08.08.2017, printr-o metoda calitativa, examinand aspectul culturilor celulare aflate in prezenta probelor de testat prin colorare cu albastru tripan.
4.8.6. Rezultate obţinute la verificarea citotoxicităţii acoperirilor nanostructurate Rezultatele obţinute la verificarea citotoxicităţii prototipurilor de acoperiri nanostructurate au fost
prezentate in Raportul de testare Universitatea Bucuresti, Facultatea de Biologie nr. 445/19.09.2017. Probele AN Ag-TiO2 analizate au îndeplinit cerinţele impuse de ST 116/08.08.2017, pct 2.9., deoarece nu
au fost citotoxice (grad de citotoxicitate 0).
Capitolul 4.9. Elaborarea documentatiei tehnice de certificare a materialelor nanostructurate, tintelor de pulverizare si a acoperirilor nanostructurate
Elaborarea documentatiei tehnice de certificare a materialelor nanostructurate, tintelor de pulverizare si a
acoperirilor nanostructurate s-a realizat in comun de catre partenerii proiectului (CO, P1, P2). Au fost intocmite 3 dosare de certificari prototipuri (1) materiale nano si microstructurate pe baza de pulberi Ag-TiO2 (PV certificare 42/25.09.2017), (2) tinte de pulverizare pe baza de Ag-TiO2 (PV certificare 43/25.09.2017) si (3) acoperiri nanostructurate pe baza de Ag-TiO2 cu activitate antimicrobiana (PV certificare 44)/25.09.2017, care contin documentele specifice de certificare intocmite conform procedurii de certificare a produselor PS-P-02.2 elaborata de INCDIE ICPE-CA.
Capitolul 4.10. Realizarea unor produse finite acoperite Partenerul P2 - SC MGM STAR CONSTRUCT SRL a realizat functionalizarea a 20 produse finite (instrumente chirurgicale din otel inox de tip foarfeci, pense chirurgicale si lame de bisturiu) cu acoperiri nanostructurate pe baza de Ag-TiO2 cu activitate antimicrobiana (Fig. 4.10).
Fig. 4.10. Produse finite acoperite cu straturi subtiri antimicrobiene din AN Ag-TiO2.
Capitolul 4.11. Diseminarea rezultatelor proiectului prin comunicarea si publicarea nationala sau internationala a rezultatelor proiectului si actualizarea paginii web a proiectului
In vederea diseminarii pe scara larga a rezultatelor proiectului INMATCO, Contract 215/2014, in
domeniul nanomaterialelor si acoperirilor nanostructurate pentru aplicatii medicale si a cresterii vizibilitatii internationale a proiectului, pentru indeplinirea activitatii A.4.12. partenerii proiectului au realizat urmatoarele: comunicări şi premii: prezentare sub formă de poster a cererii de brevet de inventie (CBI) inregistrata la
OSIM cu nr. a 2015 00605 din 20.08.2015: (1) M.V. Lungu, D. Pătroi, F. Grigore, M. Lucaci, D. Tălpeanu, V. Tsakiris, S.A. Mitrea, A. Brătulescu,
C.D. Cîrstea, N. Stancu, V. Marinescu, A. Sobetkii, A.A. Sobetkii, M.C. Chifiriuc, M. Popa, Ţinte de pulverizare și straturi subțiri din nanopulberi antimicrobiene din oxid de zinc dopate cu argint și procedeu de obținere, poster elaborat in limba română si abstract publicat in Catalogul PRO INVENT 2017, Salonul Internaţional al Cercetării, Inovării si Inventicii, Editia XV, 22-24.03.2017, Cluj-Napoca, România, pag. 75-77 (https://proinvent.utcluj.ro/cataloage/Pro_Invent_2017.pdf), CBI premiat cu Premiul pentru performanta in creativitatea tehnica pentru inventiile prezentate de INCDIE ICPE-CA la Salonul PRO INVENT 2017 (http://www.icpe-ca.ro/activitate-stiintifica/diplome-2017/proinvent-2017/premiu-performanta.pdf)
(2) M.V. Lungu, D. Pătroi, F. Grigore, M. Lucaci, D. Tălpeanu, V. Tsakiris, S.A. Mitrea, A. Brătulescu, C.D. Cîrstea, N. Stancu, V. Marinescu, A. Sobetkii, A.A. Sobetkii, M.C. Chifiriuc, M. Popa, Sputtering targets and thin films made of silver doped zinc oxide antimicrobial nanopowders and process for preparing the same, poster elaborat in limba engleză si abstract publicat in Proceedings of the 9th Edition of EUROINVENT 2017, European Exhibition of Creativity and Innovation, May 25-27, 2017, Iasi, România (http://www.euroinvent.org/cat/E2017.pdf), pag, 406-407, CBI premiat cu Diploma si medalie de aur (http://www.icpe-ca.ro/activitate-stiintifica/diplome-2017/euroinvent-2017/aur-lungu-2017.pdf) si Diploma de excelenta pentru activitatea de inventica si inovare a INCDIE ICPE-CA la Salonul EUROINVENT 2017 (http://www.icpe-ca.ro/activitate-stiintifica/diplome-2017/euroinvent-2017/excelenta-2017.pdf)
articole trimise spre publicare: (1) M.V. Lungu, A. Sobetkii, A.A. Sobetkii, E. Enescu, M. Lucaci, D. Pătroi, P. Barbu, I. Ion, C.D.
Cîrstea, A. Brătulescu, M. Marin, M.C. Chifiriuc, Effect of electron beam evaporated and annealed Inconel 600 and Ag–ZnO thin films on functionalization of 316L stainless steel surface, articol trimis spre publicare la un jurnal ISI;
(2) C.A. Mărchidanu, M.V. Lungu, I. Gheorghe, M.D. Hussien, A. Telcian, G. Grădișteanu Pîrcălăbioru, L. Burlibașa, M.C. Chifiriuc, Aspects of cytotoxicity and genotoxicity in ZnO and silver nanoparticles designed for antimicrobial applications, articol trimis spre publicare la jurnalul Romanian Archives of Microbiology and Immunology, ISSN 1222-3891 (http://www.roami.ro/)
cresterea vizibilitatii proiectului prin actualizarea paginii web a proiectului creata in limba engleză pe ResearchGate (https://www.researchgate.net/project/Innovative-nanostructured-materials-and-coatings-with-antimicrobial-activity-for-medical-applications);
actualizarea paginii web a proiectului INMATCO (http://www.icpe-ca.ro/proiecte/proiecte-nationale/pn-2014/inmatco.pdf) cu Raportul tehnico-stiintific al Etapei 4/2017 care cuprinde informatii neconfidentiale despre activitatile si rezultatele proiectului.
Capitolul 4.12. Participarea la manifestari tehnico-stiintifice nationale si internationale
din domenii specifice proiectului
In cadrul activitatii A.4.13. au fost realizate trei participari la trei evenimente stiintifice internationale din domenii specifice proiectului: participarea in perioada 22.03.2017-24.03.2017 a Ing. Ciprian Onica (CO), Sef Serviciu Marketing al
INCDIE ICPE-CA la manifestarea internationala „Salonul Internaţional al Cercetării, Inovării si Inventicii”, Editia XV, PRO INVENT 2017, 22-24.03.2017, Cluj-Napoca, România (https://proinvent.utcluj.ro/);
participarea in perioada 24.05.2017-27.05.2017 a Dr. Ing. Magdalena Valentina Lungu (CO) la manifestarea internationala „European Exhibition of Creativity and Innovation”, EUROINVENT 2017, 9th Edition”, May 25-27, 2017, Iasi, România (http://www.euroinvent.org/cat/E2017.pdf);
participarea in perioada 21-26.04.2017 a Dr. Măruțescu Luminița (P1) la manifestarea internationala „27th European Congress of Clinical Microbiology and Infectious Diseases”, ECCMID 2017, April 22-25, 2017, Austria, Viena (http://2017.eccmid.org/)
Capitolul 4.13. Managementul si coordonarea proiectului; Elaborarea raportului de etapa
(tehnico-stiintific si financiar) si a raportului final Directorul de proiect si Responsabilii de proiect au urmarit permanent ca lucrarile de cercetare-
dezvoltare-inovare aferente Etapei 4/2017 a proiectului sa se realizeze conform Planului de realizare, in vederea preintampinarii oricarei disfunctionalitati in activitati. Directorul de proiect si Responsabilii de proiect, impreuna cu Directorul economic al fiecarei organizatii participante la proiect au urmarit permanent ca alocarile financiare sa se faca in functie de destinatia prevazuta. Comunicarea intre parteneri s-a efectuat eficient prin e-mail, telefon si intalniri in cadrul proiectului.
Elaborarea Raportului de etapă si a Raportului final a fost realizata in comun de Directorul de proiect si Responsabilii de proiect, conform activitatilor prevazute in Planul de realizare a proiectului, astfel incat, rezultatele obtinute au fost in concordata cu cele planificate.
Capitolul 4.14. Concluzii In Etapa 4/2017 a proiectului au fost realizate urmatoarele activităţi de cercetare industrială si de dezvoltare
experimentală: A fost demonstrata functionalitatea acoperirilor nanostructurate prin testarea rezistentei la atac chimic; Au fost realizate 5 prototipuri, si anume 2 prototipuri de materiale nano si microstructurate pe baza de
pulberi Ag-TiO2 (MN Ag-TiO2 si MM Ag-TiO2), 2 prototipuri de tinte de pulverizare pe baza de Ag-TiO2 (TP MN Ag-TiO2 si TP MM Ag-TiO2) si 1 prototip de acoperiri nanostructurate pe baza de Ag-TiO2 cu activitate antimicrobiana (AN Ag-TiO2);
Au fost functionalizate 20 produse finite (instrumente chirurgicale din otel inox) cu acoperiri nanostructurate pe baza de Ag-TiO2 cu activitate antimicrobiana;
A fost achiziţionata parţial logistica necesara (materii prime, materiale consumabile, piese de schimb, echipamente, terţi) pentru realizarea obiectivelor proiectului;
Au fost trimise spre publicare 2 articole (un articol ISI si un articol BDI); Au fost realizate 3 participari la manifestari tehnico-stiintifice internationale din domenii specifice
proiectului; Au fost realizate 2 comunicari pentru CBI A00605/2015 sub forma de postere la 2 manifestari
internationale, au fost publicate 2 abstracte ale CBI A00605/2015 in cataloagele saloanelor de inventii si au fost obtinute 3 premii acordate de catre Presedintele comisiilor de jurizare a inventiilor prezentate;
Au fost definitivate 3 specificatii tehnice pentru (1) materiale nano si microstructurate pe baza de pulberi Ag-TiO2 (ST 114/08.08.2017) (2) tinte de pulverizare pe baza de Ag-TiO2 (ST 115/08.08.2017) si (3) acoperiri nanostructurate pe baza de Ag-TiO2 cu activitate antimicrobiana (ST 116/08.08.2017);
Au fost intocmite 3 dosare de certificari prototipuri (1) materiale nano si microstructurate pe baza de pulberi Ag-TiO2 (PV certificare 42/25.09.2017) (2) tinte de pulverizare pe baza de Ag-TiO2 (PV certificare 43/25.09.2017) si (3) acoperiri nanostructurate pe baza de Ag-TiO2 cu activitate antimicrobiana (PV certificare 44)/25.09.2017, care contin documentele specifice de certificare intocmite conform procedurii de certificare a produselor PS-P-02.2 elaborata de INCDIE ICPE-CA.
In cadrul dosarelor de certificare prototipuri au fost intocmite 3 specificatii tehnice definitivate (ST 1145/08.08.2017, ST 115/08.08.2017, ST 116/08.08.2017), 3 proceduri de lucru (PL-MAv-32, PL-MAv-33, PL-MAv-34), 3 fise de urmarire in executie a produselor (FU-MAv-32, FU-MAv-33, FU-MAv-34), 3 fise tehnice de produs pentru prototipurile de materiale si acoperiri nanostructurate si de tinte de pulverizare din Ag-TiO2 si 16 Rapoarte de incercari realizate de catre CO - INCDIE ICPE-CA si 2 Rapoarte de testare realizate de catre P1 - Universitatea Bucuresti, Facultatea de Biologie;
Au fost actualizate paginile web ale proiectului de pe site-ul CO - INCDIE ICPE-CA si ResearchGate: (http://www.icpe-ca.ro/proiecte/proiecte-nationale/pn-2014/inmatco.pdf) (https://www.researchgate.net/project/Innovative-nanostructured-materials-and-coatings-with-antimicrobial-activity-for-medical-applications)
A fost elaborat raportul de etapă nr. 4/2017 si raportul final, in comun de catre partenerii proiectului. A fost realizat eficient managementul şi coordonarea proiectului, astfel incat au fost indeplinite activitatile
propuse cu rezultatele preconizate in Planul de realizare a proiectului.
Concluzie finala: Avand in vedere rezultatele obtinute in cele 4 etape de realizare a proiectului (2014-2017) se considera indeplinite activitatile si obiectivele tehnico-stiintifice prevazute in Planul de realizare a proiectului si in propunerea de proiect PN-II-PT-PCCA-2013-4-1292, contract nr. 215/2014.
Bibliografie
[4.1]. SR EN ISO 23145-2:2016 ver.eng. “Ceramici tehnice (ceramici avansate, ceramici tehnice avansate). Determinarea densităţii aparente a pulberilor ceramice. Partea 2: Densitatea fără tasare”. [4.2]. SR EN 1389:2004 “Ceramici tehnice avansate. Compozite ceramice. Proprietăţi fizice. Determinarea densităţii şi porozităţii aparente”. [4.3]. PI-16 INCDIE ICPE-CA, Ed.2, act. 0/02.2015: “Analiza morfostructurală prin microscopie electronică de baleiaj (SEM) şi analiza chimică elementală cu microsondă dispersivă de energie pentru radiaţia X caracteristică”. [4.4]. ASTM G 102-89 (2015) “Procedură standard pentru calculul vitezelor de coroziune şi al informaţiilor obţinute din măsurătorile electrochimice”. [4.5]. ASTM C1624-05 (2015) “Standard test method for adhesion strength and mechanical failure modes of ceramic coatings by quantitative single point scratch testing”.
[4.6]. DIN EN 1071-3:2005-10 “Advanced technical ceramics - Methods of test for ceramic coatings - Part 3: Determination of adhesion and other mechanical failure modes by a scratch test”. [4.7]. SR EN ISO 20502:2016 ver.eng. “Ceramici tehnice (ceramici avansate, ceramici tehnice avansate). Determinarea aderenţei acoperirilor ceramice prin încercarea de zgâriere”. [4.8]. SR EN ISO 26423:2016 ver.eng. “Ceramici tehnice (ceramici avansate, ceramici tehnice avansate). Determinarea grosimii acoperirii prin metoda şlefuirii unei calote”. [4.9]. ASTM G99-17 “Metodă de încercare standard pentru testarea uzurii cu un aparat pin-on-disk”. [4.10]. SR EN 1071-13:2010 ver.eng. “Ceramici tehnice avansate. Metode de încercare pentru acoperiri ceramice. Partea 13: Determinarea factorului de uzură prin metoda pin-on-disk”. [4.11]. ASTM G133-95 “Metoda de testare standard pentru determinarea uzurii prin alunecare liniara tip bila pe suprafata plana” [4.12]. Standard CLSI (Clinical Laboratory Standards Institute) M27-S4, ed.4, 2012: “Reference method for broth dilution antifungal susceptibility testing of yeasts”. [4.13]. Standard CLSI (Clinical Laboratory Standards Institute) M100-S26, ed. 26, 2015: “Performance standards for antimicrobial susceptibility testing”. [4.14]. PI-1-ICUB, Ed.1, act. 0/1.01.2015: “Determinarea activităţii antibiofilm prin metoda microtitrării cu cristal violet”. [4.15]. ASTM E 2149-13a “Standard Test Method for Determining the Antimicrobial Activity of Antimicrobial Agents under Dynamic Contact Conditions”. [4.16]. SR EN ISO 10993-1:2010 “Evaluarea biologică a dispozitivelor medicale. Partea 1: Evaluare şi încercare în cadrul unui proces de management al riscului”. [4.17]. SR EN ISO 10993-5:2009 ver.eng. “Evaluarea biologică a dispozitivelor medicale. Partea 5: Teste pentru citotoxicitate in vitro”.
