Influência dos Parâmetros do Plasma de um magnetron Sputtering de Alvos Opostos (RAMS) no Controle do Crescimento de Filmes Finos de Hidroxiapatita, com substituíções iónicas para Aplicações Biomédicas

Filmes de fosfatos de cálcio (CaP) produzidos pela técnica de radio frequency magnetron sputtering (RFMS) têm sido propostos para uso na área biomédica como revestimentos para implantes metálicos, em especial o Titânio (Ti). A produção de filmes finos por processos de deposição física assistidos por plasmas (PAPVD) têm sido uma tarefa complexa, especialmente no que diz respeito ao controle dos parâmetros de deposição para a formação de um material biocompatível, estequiométrico e cristalino. Além disto, deve-se ter em conta que não existe ainda na literatura internacional propostas detalhadas sobre os mecanismos de formação de filmes finos de fosfatos de cálcio (CaP) durante a deposição por PAPVD. Este trabalho de tese teve como objetivo estudar e controlar as características estruturais e de superfície de filmes finos de hidroxiapatita, Ca10(PO4)6(OH)2, produzidos pela técnica de magnetron sputtering com alvos opostos, RAMS. Para tal, realizou-se um estudo sobre as propriedades físicas do plasma gerado pelo sistema RAMS, tais como a densidade de energia entregue à produção dos filmes, as temperaturas dos elétrons e íons do plasma durante o processo de deposição e as condições termodinâmicas necessárias à nucleação da HA e da sua posterior transformação em fase cristalina. Baseado nos resultados obtidos neste trabalho foi proposto um novo modelo e mecanismo para a formação de filmes estequiométricos e cristalinos de hidroxiapatita crescidos à temperatura ambiente no sistema RAMS. O mecanismo proposto é da seguinte forma: i) nucleação e formação de clusters amorfos (building units) da forma Ca3(PO4)2 a partir de 3.4 eV, ii) nucleação dos clusters de Posner, Ca9(PO4)6, com tamanhos de 2 - 4 nm a partir de 5.2 eV, iii) formação de nanodomínios cristalinos de HA da ordem de 2 - 4 nm em tempos de deposição de 15 min a partir de 2.6 eV e crescimento dos nanodomínos para fases cristalinas de HA. Foram também investigadas as condições de preparação de filmes finos de hidroxiapatitas substituída com grupos aniônicos (F, SiO4 e CO3) e catiônicos (Zn) para diversas aplicações biomédicas. Para tal, utilizou-se diversas técnicas de caracterização tais como: difração de raios-X em incidência rasante com radiação de luz Síncrotron (GIXRD), espectroscopia de fotoelétrons por raios-X (XPS), espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e microscopia de força atômica (AFM). Os filmes de HA com incorporação de íons flúor na estrutura (FHA) produzidos a temperatura ambiente apresentaram um alto grau de cristalinidade, com estequiometria de F/Ca = 0.12, alta estabilidade térmica e superfície com rugosidade de até 2.5 nm para filmes de FHA com 540 nm de espessura. Os filmes finos cristalinos de HA com incorporação de íons Zn (ZnHA) produzidos a temperatura ambiente - com espessuras menores que 220 nm - apresentaram alta estabilidade química mesmo em temperaturas de 600 ºC. Os resultados dos filmes de ZnHA produzidos neste trabalho não foram reportados na literatura biomédica até agora. Por ultimo, foram comprovados com medidas de FTIR a produção de filmes finos com incorporação de íons SiO4 (SiHA) e CO3 (CHA) na estrutura da HA. Principalmente neste trabalho, foram também utilizadas técnicas de diagnóstico de plasmas para determinar as propriedades físicas de plasmas confinados magneticamente durante o processo de deposição por RAMS, tais como: sonda Hall, sonda de Langmuir, copo de Faraday e espectroscopia de emissão ótica. A partir dos resultados do diagnóstico do plasma se demonstrou que o campo magnético é um parâmetro físico fundamental no sistema RAMS e a sua influência gera uma ressonância hibrida baixa dos íons no plasma, aumentando a energia fornecida às partículas carregadas que se depositam sobre os substratos formando os filmes (em Z = 28 mm). Se demonstrou que as condições termodinâmicas do plasma são fatores determinantes nas características físico-químicas dos filmes finos produzidos, sendo estas mais importantes que a estequiometria dos alvos usados para a produção dos filmes.