Ingeniería de Superficies: Adsorción Proteica, Implantación Iónica y Recubrimientos PVD

Fundamentos de la Ingeniería de Superficies

Biosuperficies y Adsorción de Material Biológico

Las Biosuperficies relacionan las propiedades fisicoquímicas de una superficie con el material biológico. Es posible controlar la química y la topografía para modificar la mojabilidad, la energía superficial (E_superf) o las propiedades mecánicas (props. mecs.).

Técnicas de Detección y Sensores

Las técnicas utilizadas para detectar moléculas en la superficie y desarrollar sensores incluyen:

• Resonancia superficial de plasmones.
• Técnicas piezoeléctricas.
• Espectroscopía de impedancia.
• Microscopía de barrido con AFM (Atomic Force Microscopy).

Un Sensor se basa en una superficie funcionalizada. La adsorción de proteínas (ABS) varía según la superficie. La proteína con mayor ABS se queda fuertemente adherida, siendo el proceso irreversible incluso si se retira la proteína. La proteína con menor ABS permite un proceso reversible, volviendo al estado inicial cuando se retira.

La proteína puede cambiar su conformación al situarse sobre una superficie, mientras que otras solo cambian su orientación.

Técnica SIMS y Adhesión Celular

La Técnica SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) se utiliza para conocer la composición química de la superficie. Penetra aproximadamente 10 Å (Angstroms) y es destructiva. El tipo de aminoácidos presentes dependerá de la adhesión o situación de la proteína respecto a la superficie.

La Fibronectina es una proteína clave relacionada con la adhesión celular y se utiliza para verificar la calidad de la preparación de la superficie.

Estudios de Superficies de TiO₂

Se han estudiado diferentes tipos de superficies de TiO₂:

• Superficie de TiO₂ estequiométrica sin Fe, con terrazas alineadas.
• Superficie reducida sin Fe por bombardeo, resultando rugosa.
• Superficie estequiométrica con Fe (reoxidada), rugosa.
• Superficie bombardeada con Fe y Ca²⁺ (Ripples), rugosa.

Posteriormente, se estudia la adhesión celular, la cual depende de la cantidad de fibronectina. La adhesión es mayor en la superficie de Ripples debido a su morfología.

Interacciones y Energía Libre de Gibbs

Según la orientación de las cargas de las proteínas, se produce un tipo de interacción u otra. El objetivo es reducir la Energía Libre de Gibbs (ΔG), buscando que la proteína adsorbida tenga menor energía que la disuelta:

$$\Delta G = G_{ads} - G_{disol} < 0$$

Esto se consigue mediante la teoría de doble capa. En interacciones hidrofóbicas, la parte expuesta al ambiente es la hidrófila, quedando la hidrofóbica pegada a la superficie.

Implantación de Iones y Silicio Poroso

Poder de Frenado

En la Implantación de iones, el ión interacciona con los átomos del material o con los electrones. La mayor parte de la energía depositada tiene lugar a una determinada profundidad. Es importante conocer esta profundidad de interacción, especialmente para aplicaciones médicas.

Cuanto más estrecho sea el pico energético, más localizada es la pérdida de energía.

Formación de Silicio Poroso (Si Poroso)

Cuando el silicio es poroso, se crea una elevada densidad de poros y se observan sus propiedades. En el Si, hay migración de iones H⁺ a la superficie, que se recombinan con iones de F, lo que provoca la formación del Silicio Poroso.

Existen dos estados definidos por la densidad de corriente:

• Alta densidad: El proceso está determinado por la llegada de iones F a la superficie.
• Baja densidad: El proceso está determinado por la llegada de iones H⁺.

Se bombardea una oblea de Si y se somete a HCl para fabricar poros. La zona bombardeada disminuye la conductividad eléctrica, las líneas de corriente se abren y el Si poroso se forma en ellas. Existe una preferencia de las células a adsorberse sobre el Si poroso.

Técnicas de Deposición Física de Vapor (PVD)

La técnica PVD (Physical Vapor Deposition) confiere propiedades superficiales especiales, como propiedades mecánicas, ópticas, físicas, químicas, electrónicas y magnéticas.

• La temperatura (T) suele ser 200-400ºC.
• El espesor se encuentra entre 1-5 micras.
• La dureza típica es entre 1000-2000 HV.

El CVD (Chemical Vapor Deposition) logra mayores espesores y más adhesión que el PVD.

Tipos de Técnicas PVD

Las técnicas de PVD más comunes son:

1. Evaporación Térmica

Técnica básica de deposición.

2. Sputtering (Pulverización Catódica)

Es la técnica más empleada en decoración, adhesión y para controlar la rugosidad. Las temperaturas son bajas, es un proceso lento pero eficaz.

3. Arco Eléctrico (Arc Electric)

Se utiliza para recubrimientos como TiN, TiCN, CrN, ZrN, AlTiN y DLCs. Ofrece más dureza y adhesión que el sputtering. La temperatura se sitúa entre 200-500ºC. Es más económico, rápido, estable y eficaz.

El principal problema son las microgotas que aumentan la rugosidad, aunque estas se reducen utilizando un arco de cátodo rotativo.

El recubrimiento que más dura es el nACO (nanocomposite de AlTiN), utilizado en aeronáutica, por ejemplo, en el Inconel 718 (TiNi).