9
7/23/2019 Me 10140 http://slidepdf.com/reader/full/me-10140 1/9 www.me journal.org  Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 4, 2015 doi: 10.14355/me.2015.04.006 48 Laser Surface Treatment  of Metal Implants:  A Review Article Ibrahim M. Ghayad, Nabil N. Girgis, Wafaa A. Ghanem Central Metallurgical  Research & Development  Institute (CMRDI),  P.O.Box:87 Helwan, Cairo,  Egypt [email protected]  Abstract  Metal implants are mainly fabricated from stainless steels, cobalt  base or titanium  base alloys. In addition to mechanical properties, metal implants must have excellent corrosion resistance as well as good  bioconductivity and  biocompatibity. Biocompatibity is achieved on a metal implant  by the application of proper surface treatment. This paper reviews the techniques used for surface treatment of metal implants with a special focusing on laser surface treatment as a new and promising technology for surface treatments. Published papers indicated that surface treatments performed on metal implants are mainly of two types; the first concerned with the deposition of hydroxyapatite (HA),  bonelike material while the second focused on the deposition of diamondlike carbon (DLC). Present review covers in detail the laser systems used for either HA or DLC coating. Keywords Laser;   Metal Implants; Diamond Like Carbon;  Hydroxyapatite Introduction Metallic materials are widely used as internal fixation implants in  bone fracture surgery to provide temporary support during the  bone healing period [1] Stainless steels, titanium alloys, cobaltchromium  based alloys and magnesium alloys are commonly used for this purpose.  A limitation of these alloys is the possible release of toxic metallic ions and/or particles through corrosion or wear processes  [26] that lead to inflammatory cascades which reduce  biocompatibility,  causing tissue loss or adversely affect their mechanical integrity  before healing [713]. Several techniques  have existed to improve the corrosion resistance and  biocompatibility of above mentioned alloys; the most effective is surface treatment.  In this text two types of surface treatment,  used for metal implants,  will  be discussed.  The first concerns with the deposition of phosphates,  mainly hydroxy apatite (HA), while the second deals with the deposition of diamondlike carbon (DLC). Hydroxylapatite (HA), is currently used as a  biomedical  material due to its excellent   biocompatibility and  bioactivity which attributed to its chemical and structural similarities to  bone and tooth mineral [14]. On account of its low strength and high  brittleness,  HA is used as a  bioactive coating on metallic substrates.  When natural human heart valves undergo degenerative  process such as calcification of leaflets,  due to infections,  ageing, or dietary problems,  artificial heart valves replacement  is a solution and low temperature isotropic pyrolytic carbon (LTIC) is the most common and widely used material.  Unfortunately,  its  blood compatibility is still not adequate and as a result, patients must continue to take  blood anticoagulation medicine.  However,  amorphous carbon (ac) or diamondlike carbon (DLC) films are potential   biomedical materials due to their chemical inertness, impermeability and excellent  mechanical properties.  Many methods have  been developed  to prepare HA coatings and to deposit  DLC thin films. These methods  are: solgel process   , electrophortic  deposition   , the sputtering process,   biomimetic methods  plazma spraying  , physical vapor deposition  as well as laser techniques  [1521]. This review focuses on laser surface treatment  as a new and promising technology for surface treatments  of metal implants. Hydroxyapatite coatings and diamondlike carbon films deposited on metallic substrates using laser technology are described and discussed.  

Me 10140

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Me 10140

7/23/2019 Me 10140

http://slidepdf.com/reader/full/me-10140 1/9

www.me‐ journal.org   Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 4, 2015 

doi: 10.14355/me.2015.04.006 

48 

Laser Surface Treatment of Metal Implants: 

A Review Article 

Ibrahim M. Ghayad, Nabil N. Girgis, Wafaa A. Ghanem 

Central Metallurgical Research & Development Institute (CMRDI), P.O.Box:87 Helwan, Cairo, Egypt 

[email protected] 

 Abstract  

Metal  implants  are  mainly  fabricated  from  stainless  steels,  cobalt  base  or  titanium  base  alloys.  In  addition  to  mechanical 

properties,  metal  implants  must  have  excellent  corrosion  resistance  as  well  as  good  bioconductivity  and  biocompatibity. 

Biocompatibity  is  achieved  on  a  metal  implant   by  the  application  of  proper  surface  treatment.  This  paper  reviews  the 

techniques  used  for  surface  treatment  of  metal  implants with  a  special  focusing  on  laser  surface  treatment  as  a  new  and 

promising technology for surface treatments. Published papers indicated that surface treatments performed on metal implants 

are mainly of  two  types;  the first concerned with  the deposition of hydroxyapatite (HA),  bone‐like material while  the second 

focused on the deposition of diamond‐like carbon (DLC).  Present review covers in detail the laser systems used for either HA 

or DLC coating. 

Keywords 

Laser;  Metal Implants; Diamond Like Carbon; Hydroxyapatite 

Introduction

Metallic materials  are widely used  as  internal  fixation  implants  in  bone  fracture  surgery  to provide  temporary 

support during  the  bone healing  period  [1]  Stainless  steels,  titanium  alloys,  cobalt‐chromium  based  alloys  and 

magnesium alloys are commonly used for this purpose. A limitation of these alloys is the possible release of toxic 

metallic ions and/or particles through corrosion or wear processes [2‐6] that lead to inflammatory cascades which 

reduce  biocompatibility, causing tissue loss or adversely affect their mechanical integrity  before healing [7‐13]. 

Several  techniques  have  existed  to  improve  the  corrosion  resistance  and  biocompatibility  of  above  mentioned 

alloys; the most effective is surface treatment.  In this text two types of surface treatment, used for metal implants, 

will  be discussed. The  first concerns with  the deposition of phosphates, mainly hydroxy apatite  (HA), while  the 

second deals with the deposition of diamond‐like carbon (DLC). 

Hydroxylapatite  (HA),  is  currently  used  as  a   biomedical  material  due  to  its  excellent   biocompatibility  and 

 bioactivity which attributed to its chemical and structural similarities to  bone and tooth mineral [14]. On account of 

its low strength and high  brittleness, HA is used as a  bioactive coating on metallic substrates. 

When natural human heart valves undergo degenerative process such as calcification of leaflets, due to infections, 

ageing,  or  dietary  problems,  artificial  heart  valves  replacement  is  a  solution  and  low  temperature  isotropic 

pyrolytic carbon  (LTIC)  is  the most common and widely used material. Unfortunately,  its  blood compatibility  is 

still  not  adequate  and  as  a  result,  patients  must  continue  to  take  blood  anticoagulation  medicine.  However, 

amorphous  carbon  (a‐c)  or  diamond‐like  carbon  (DLC)  films  are  potential  biomedical  materials  due  to  their 

chemical inertness, impermeability and excellent mechanical properties. 

Many methods have  been developed to prepare HA coatings and to deposit DLC thin films. These methods are: 

sol‐gel process  , electrophortic deposition  ,  the sputtering process,  biomimetic methods plazma spraying  , physical 

vapor deposition  as well as laser techniques [15‐21]. 

This review focuses on laser surface treatment as a new and promising technology for surface treatments of metal 

implants. Hydroxyapatite  coatings  and  diamond‐like  carbon  films  deposited  on metallic  substrates  using  laser 

technology are described and discussed. 

Page 2: Me 10140

7/23/2019 Me 10140

http://slidepdf.com/reader/full/me-10140 2/9

 Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 4, 2015  www.me‐ journal.org 

49 

Types of Laser Surface Treatment Techniques

Krishnan et al. [21] reviewed novel laser techniques used for synthesis of nanostructured coatings and thin films. 

These techniques are: Laser pyrolysis, laser assisted atmospheric chemical vapor deposition (LAACVD) and pulsed 

laser  deposition  (PLD).  In  the  laser  pyrolysis  technique  the  aerosols  generated  using  an  ultrasonic  particle 

generator or  compressed air nebulizer,  (metal nitrate  solution droplets),  are passed  through  a quartz  tube. The 

laser was coupled into the quartz tube in a coaxial manner and the laser  beam along with the aerosol was directed 

towards  the substrate kept very close  to  the  focal point of  the  focusing  lens. The  laser  interacts with  the aerosol 

during its transit through the tube as well as at the substrate, leading to reaction with atmospheric oxygen at the 

substrate  forming  an  oxide  coating.  By  adjusting  the  process  parameters,  localized  novel  nanostructures  are 

obtained. These localized structures are produced  because of the Gaussian distribution of laser power coupled with 

non‐equilibrium nature of surface reaction. 

In laser assisted atmospheric chemical vapor deposition (CVD) technique the coating precursor used is a suitable 

metal organic compound dissolved in ethanol. The precursor is atomized using an ultrasonic particle generator to 

produce  aerosols  of  1  to  5 micron  size. Upon  laser‐precursor  aerosol  interaction,  the metal  organic  compound 

undergoes vaporization without decomposition and the vapors react with the oxygen present in the atmosphere at 

the  laser  focused  spot  on  the  substrate  surface  to  give  oxide  coating. Uniform  large  surface  area  coatings  are obtained  by rastering. A computerized raster stage is used for this purpose. 

Pulsed laser deposition (PLD) is a thin film deposition technique where a high power pulsed laser  beam is focused 

inside a vacuum chamber to strike a target of the desired composition. Material is then vaporized from the target 

and deposited as a  thin film on a substrate. This process can occur  in ultra high vacuum or  in  the presence of a 

 background gas, such as nitrogen which is used when depositing nitrides. When the laser pulse is absorbed  by the 

target,  energy  is  first  converted  to  electronic  excitation  and  then  into  thermal,  chemical and mechanical  energy 

resulting  in  evaporation,  ablation,  plasma  formation  and  even  exfoliation. The  ejected  species  expand  into  the 

surrounding  vacuum  in  the  form  of  a  plume  containing  many  energetic  species  including  atoms,  molecules, 

electrons, ions, clusters, particulates and molten globules,  before depositing on the typically hot substrate. 

Laser  surface melting  technique modifies  the metal  implant  surface  by  refining  the  structure after melting and rapid  crystallization.  It  is  well‐known  that  grain  refinement  improves  mechanical  properties  and  corrosion 

resistance. 

Hydroxiapatite Coatings

Nelea  et al.  [22]  investigated hydroxiapatite  thin  films grown  by pulsed  laser deposition  (PLD)  (Figure  1). The 

targets were prepared  from high‐purity  (99.98%) polycrystalline HA powder  (grains 100 mm)  by  cold pressing 

followed  by  annealing  in  air  at  600oC.  A  Ca/P  atomic  ratio  of  1.6  was  inferred  by  energy  dispersive  X‐ray 

spectrometry.  The  TiN  buffer  interlayer  was  deposited  by  reactive  pulsed  laser  deposition  (RPLD)  by  ablating  a 

stoichiometric  TiN  target  in  nitrogen,  whereas  the  metallic  substrate  was  heated  at  650oC.  A  Series  of  104 

subsequent laser pulses were applied for the growth ofʹ < 1 mm thick HA film. The average ablation rate was 0.5 

A.U. per pulse. 

In  the work of Grigorescui  et  al  [23],  a hydroxyapatite  target was  ablated  in  an  oxygen  controlled  atmosphere 

chamber  by means of a KrF excimer  laser  beam of 248 nm wavelength, generating pulses of 10 ns duration. The 

laser source was operated at a  frequency repetition rate of 2 Hz. The spot area was  between 4.5‐5 mm2 , and  the 

incident  laser  fluence on  the  target was 2.6  J/cm2.  In order  to avoid target piercing during multipulse ablation, a 

rotation movement was applied. The coatings were deposited on 15 mm diameter disks made of high purity c.p. Ti, 

heated at 400°C. Prior to every film deposition, the chamber was evacuated down to a residual pressure of 10‐4 Pa. 

Then a dynamical flux of 10 Pa O2 was introduced and carefully monitored during deposition. For obtaining one 

film, 15000 subsequent laser pulses were applied. After deposition, the films were treated in water vapour enriched 

atmosphere at 400°C for 6 hours, in order to improve their crystalline state. Other  samples have  been prepared  by 

the  insertion of  a  buffer  layer  interlayers  of TiN deposited  by PLD  before  the  application of HA  coatings. The 

thickness of TiN layer was estimated to ~ 200 nm, while the thickness of HA layers was estimated to  be in the range 

1‐1.5 μm. 

Page 3: Me 10140

7/23/2019 Me 10140

http://slidepdf.com/reader/full/me-10140 3/9

www.me‐ journal.org   Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 4, 2015 

50 

In the work of Syed et al. [24], a powder,  blend of different powders or powders from two or more powder feeders 

were delivered to a laser generated melt pool on a substrate surface (Figure 1). The relative movement of the laser 

and  the  substrate  causes  the  enlarged melt  pool  to  solidify  and  a well‐ bonded  clad/tack with  the  substrate  is 

formed. This method can also produce functionally graded materials (FGMs). Depending upon the requirement for 

the  final part, varying proportions of different materials  can  be added on  top of  each other  to obtain a graded 

structure. The main purpose of using a graded‐layer coating is to overcome the stress‐related failure of composite coatings that might result from a sharp contrast of properties, such as thermal expansion  behavior. 

FIGURE 1 SCHEMATIC DIAGRAM OF THE EXPERIMENTAL APPARATUS FOR POWDER‐POWDER DEPOSITION (SCHEMATIC) 

Vasanthan, Drukteinis and Lacefield  (2008)  [25] deposited  commercially pure hydroxiapatite on  cp‐Ti  substrate 

using pulsed  laser  technique. They used KrF excimer  laser  (248 nm), with an energy density of 4‐10  J/cm2 and a 

repetition rate of 30 Hz while the substrate temperature was kept  between 625 oC and 715oC. A deflecting mirror 

was used  to guide  the  laser  into a controlled atmosphere chamber where  it ablated  the HA  target  to generate a 

plume of atoms,  ions, and particles (Figure 2). These particles  then coalesced and deposited  themselves onto  the 

surface of the heated, rotating alloy in an argon/water atmosphere, thereby forming the coating. 

FIGURE 2 SCHEMATIC DIAGRAM OF THE PULSED LASER COATING SYSTEM 

Rau  et al  [26] deposited  fluorinated hydroxyapatite  (FHA)  films on Ti using pulsed  laser  technique. The use of 

FHA  in   biomedical  applications  is  expected  to   be  advantageous,  since  it  can  promote  mineralization  and 

crystallization of calcium phosphate during the dental and  bone formation processes and ensure the formation of a 

mechanically and functionally stronger  bone  by providing the fluorine release at a controlled rate. The synthesis of 

fluorinated hydroxyapatite was carried out  by mixing CaO, (NH4)2HPO4 and NH4F.  FHA films were deposited on 

heated Ti substrates  in a high vacuum PLD chamber. Depositions were performed  by ablating  the sintered FHA 

rotating target with a laser  beam generated  by a pulsed KrF excimer‐laser (l = 248 nm); the laser pulse duration was 

17 nm, and the repetition rate was 5 Hz. The laser  beam was oriented with an inclination angle of 45o with respect 

to the target, whereas the substrate and target were assembled in a frontal geometry at 4 cm of reciprocal distance. 

The  PLD  chamber was  evacuated  down  to  a  base  pressure  of  1x10‐6  mbar  prior  to  the  film  deposition;  then, 

Page 4: Me 10140

7/23/2019 Me 10140

http://slidepdf.com/reader/full/me-10140 4/9

 Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 4, 2015  www.me‐ journal.org 

51 

depositions  were  performed  at  5x  10‐4  mbar  in  a  controlled  dynamic  pressure  produced  by  the  N2  gas  flow, 

introduced directly into the chamber through a needle valve. The deposition time for each sample was 25 min, for a 

total of 7500 pulses. A set of FHA films were deposited at  fixed temperature (400oC) and different energy of  the 

laser  beam (2, 3, 5, 7  J/cm2). 

Bai  et  al  [27]  reported  processing  and  characterization  of  functionally  graded  hydroxyapatite  (FGHA)  coatings 

incorporated  with  Ag  as  an  antibacterial  component.  FGHA‐coated  implants  incorporated  with  antimicrobial agents are able  to prevent or  cure  infections  by  releasing directly  the antimicrobial agents  to  local  regions. The 

amorphous top layer of the coating allows a higher release rate of silver due to its higher dissolution immediately 

after  implantation;  the  crystalline  layer will maintain  the  silver  as  a  reservoir,  resulting  in  long  term  infection 

protection. 

Man, Chiu and Guo  [28]  studied  the  effects of  laser drilled micro‐holes at  the  surface of  the metals  in order  to 

achieve a  strong adhesion  for a  structural  joint or a  bone  tissue  fixation  for medical  implants. The  effect of  the 

number of holes per unit area on the adhesion strength of the adhesion  joint was evaluated. Results showed that 

the number of holes per unit area on  the adherent surface  logarithmically correlated with  the  bonding strength. 

Other holes geometries are suggested for enhanced adhesion and  bone tissue fixation. 

In  the work of Hu et al.  [29],  the  In‐situ synthesis and  fabrication of tricalcium phosphate  bioceramic coating on commercially  pure  Ti  by  laser  rapid  forming  (LRF)  was  investigated  (Figure  3).  The  powders  of  CaCO3  and 

CaHPO4∙2H2O were used as raw materials. The powders were mixed well to yield a powder with a Ca/P ratio of 

1.5  and  then  loaded  into  the  powder  feeder. The  cp‐Ti  substrate  plate was  cleaned with  absolute  alcohol  and 

acetone  to  remove  surface  contamination  and  then  fixed  to  the  NC  working  table.  A  computer  controlled 

continuous wave CO2 laser was used to scan the surface of the substrate with the energy density of 60  J/mm2 (laser 

power of 400 W; scanning velocity of 100 mm/min; laser spot diameter of 4.0 mm) and a powder feed rate of 3.0 

g/min. The coating was fabricated  in a closed chamber  filled with argon (Ar) gas  to avoid oxidation, and Ar gas 

was also chosen as the powder carrier gas. In the LRF system, the NC working head controlled the movement of 

the laser focusing mirror and the lateral powder feed nozzle so that the laser spot and powder delivery site moved 

synchronously. Then the mixed powder was melted and solidified rapidly with the laser spot moving away, so a 

single  track  of  coating was  fabricated.  Since  the working  head moved  in  cycles with  an  overlap  ratio  of  35%  between adjacent  tracks, multiple  tracks of coating eventually converged  to  form a complete coating. The phase 

composition  of  the  coating  contained  95 wt.%  of  β‐TCP  and  5 wt.%  of  α‐TCP. Three  layers were  found  in  the 

coating: a ceramic  layer, a transitional  layer, and  the substrate  layer.  In  the  transitional  layer,  interpenetration of 

phases was observed. The  bonding strength  between the coating and the cp‐Ti substrate was in excess of 40.17 MPa. 

Furthermore, the static immersion test has confirmed that the coating not only prevented the corrosion of cp‐Ti,  but 

also induced the redeposition of β‐TCP in synthetic saliva. 

FIGURE 3 SCHEMATIC PRESENTATION OF THE LASER RAPID FORMING PROCESS 

Diamond-like Carbon Coatings

Diamond like carbon (DLC) coatings were performed only under vacuum using pulsed laser technique.  Authors 

used ArF, KrF or Nd‐YAG lasers. 

Page 5: Me 10140

7/23/2019 Me 10140

http://slidepdf.com/reader/full/me-10140 5/9

www.me‐ journal.org   Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 4, 2015 

52 

Wang et al. [30] succeeded to deposit diamond‐like carbon films containing metal elements on  biomedical Ti alloys. 

In their work, a series of amorphous hydrogenated carbon films (with and without metal nitride interlayer) were 

deposited on  biomedical Ti alloy (Ti ‐6A1‐4V) substrates using a cathode arc evaporation (CAE) system. 

The experimental apparatus of  the pulsed  laser ablation  system  for  film deposition used  by Xiong  et al  [31]  is 

schematically shown in Figure 4. It consists of a stainless steel high vacuum chamber pumped  by a turbo‐molecular 

pump with a  base pressure of lxl0‐7 Torr. An ArF pulsed laser  beam with the wavelength of 193 nm and the pulse duration of 21 ns (FWHM) is introduced into the chamber through an antireflection coated convex focus lens and a 

supersil  quartz window. The  stabilized  output  energy  of  300 mJ/pulse  and  a  repetition  rate  of  5  or  10 Hz  are 

normally used. The laser  beam impacts the target at an angle of 45o to the surface normal and has a spot size of 1‐2 

mm2 at the target surface. The instantaneous power density at the target is estimated to  be about 5x108 W/cm2. A 1 

inch diameter pyrolytic graphite  (PG) disk  is used as an ablation  target.  It  is kept rotating at 10 rpm during  the 

process. The laser plume is emitted along the surface normal of the target, intensified within a few millimeters near 

the surface  in a  bluish‐white color,  then expanding  forward  in a reddish cone. The unheated substrate  is placed 

about  one  inch  away  and  parallel  to  the  target. A  typical  deposition  rate  of  0.1  nm/pulse  is  obtained,  slightly 

varying  with  the  deposition  conditions,  such  as  the  vacuum  condition  and  laser  pulse  energy.  N‐type  Si(100) 

wafers  (resistivity  0.1  n‐cm),  fused  quartz  slides,  and  cover  glass  slides  are  routinely  used  as  substrates.  The 

resulting films possess remarkable physical, optical and mechanical properties which are close to those of diamond and distinct from the graphite target used. The films have a mechanical hardness up to 38 GPa, an optical energy 

 band  gap  of  2.6  eV  and  excellent  thermal  stability.  Analysis  of  electron  energy  loss  spectroscopy  reveals  the 

domination  of  diamond‐type  tetrahedral  bonding  structure  in  the  films  with  the  spl  bond  fraction  over  95 %. 

Compared  to  other  reported  results  of  pulsed  laser  deposited  diamond‐like  carbon  films,  experimental  results 

confirm that the laser wavelength or photon energy plays a crucial role in controlling the properties of  pulsed laser 

deposited diamond‐like carbon films. 

FIGURE 4 SCHEMATIC DIAGRAM OF THE PULSED EXCIMER LASER ABLATION SYSTEM FOR FILM DEPOSITION 

Hanabusa and Tsujihara [32] deposited Diamond‐like carbon (DLC) films  by laser ablation with the target made of 

frozen acetylene, instead of conventional graphite (Figure 5). They used a stainless steel vacuum chamber, 20 cm in 

diameter and 25 cm high, contained a quartz substrate on a heated holder. The target was prepared on a copper 

plate and placed  in contact with a  liquid nitrogen  reservoir. Acetylene was  blown  through a quarter of an  inch 

stainless steel pipe toward the copper plate. A rotary pump evacuated the chamber during the target preparation. 

After  a  frozen  acetylene  layer  grew  into  roughly  1‐2‐mm  thick  layers,  the  gas  supply  stopped  and  a  turbo‐

molecular pump was turned on to improve the pressure of the chamber to 10‐6 Torr. It increased to 10‐5 Torr during 

deposition. The  light  source used was  a 193‐nm ArF  laser  with  a pulse width of  roughly  14 ns. The  repetition 

frequency was set at 10 Hz. The spot size of laser  beams on the target was adjusted  by a quartz lens with a focal 

length  of  35  cm.  Laser  beam  was  moved  constantly  across  the  target  to  avoid  ablation  of  the  copper  surface 

exposed after  losing the frozen gas. The quartz plate was placed  in  the vacuum chamber at a distance of 40 mm 

from the target after surface cleaning.  The C‐H  bond was more abundant in the films deposited  by the KrF layer. 

It was possible to deposit particles‐free films in contrast to laser ablation of graphite targets.  Experimental results 

suggest the importance of energetic and charged species ejected from frozen acetylene. 

Page 6: Me 10140

7/23/2019 Me 10140

http://slidepdf.com/reader/full/me-10140 6/9

 Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 4, 2015  www.me‐ journal.org 

53 

FIGURE 5 SCHEMATIC DIAGRAM OF THE ARRANGEMENT LASER ABLATION FOR DEPOSITION OF DLC FILMS 

In the work of Lackner et al. [33], Graphite targets were ablated with pulsed Nd:YAG laser at 1064 nm wavelength 

in argon and C2H2 atmospheres  to deposit amorphous hydrogen‐free  (a‐C) and hydrogenated  (a‐C:H) DLC onto 

various steel substrates  (AISI 1045H, B7, H13, D2, M2).  The  targets were rotated during  the  laser  irradiation  in 

order to avoid the formation of deep craters. Deposition rates  between 15 and 35 nm/min have  been reached for 

 both a‐C and a‐C:H coatings, deposited in Ar and C2H2 atmospheres, respectively. 

Honglertkongsakul, May and Paosawatyanyong  [34]  investigated  the pulsed  laser ablation of a graphite  target  by 

ArF excimer laser deposition at a laser wavelength of 193 nm and fluencies of 10 and 20  J/cm2 to produce diamond‐

like carbon  (DLC)  films  (Figure 5). DLC  films were deposited on silicon and quartz substrates under 1×10−6 Torr 

pressure at different temperatures from room temperature to 250°C. The effect of temperature on the electrical and 

optical properties of  the DLC  films was studied. Raman spectroscopy  (LRS) showed  that  the DLC  band  slightly 

increased  to higher  frequency with  increasing  film deposition  temperature. Spectroscopic ellipsometry  (SE) and 

ultraviolet–visible absorption spectroscopy showed  that  the optical  band gap of the DLC  films was 0.8‐2 eV and 

decreased with increasing substrate temperature. These results were consistent with the electrical resistivity results, 

which  gave  values  for  the  films  in  the  range  1.0×104‐2.8×105  Ω cm  and  which  also  decreased with  deposition 

temperature. We conclude that at higher substrate deposition temperatures, DLC films show increasing graphitic 

characteristics yielding lower electrical resistivity and a smaller optical  band gap. 

Yap and Tou [35] deposited diamond‐like carbon films (DLC) on silicon and glass substrates  by using a 10 Hz, 4.7 

ns,  Nd‐YAG  laser  at  third‐harmonic  and  fundamental  wavelengths  of  355  nm  and  1064  nm,  respectively.  A 

pyrolytic graphite  target was  fixed  in position while  the  laser  beam, which was  focused  to a 0.5 mm diameter, 

ablated over an area 6.5 mm x 6.5 mm at an  incident angle of 45°  by an X‐Y stepper‐motor  beam scanner. Laser 

fluencies of 21  J/cm2 and 42  J/cm2 were used in graphite ablation. The p‐type silicon wafer (100) with a resistivity of 

10 ohm cm was used as substrates. In a typical deposition, substrate with dimension of 0.8 cm x 0.8 cm was placed 

at 3 cm distance from the target. The  base pressure of the deposition was 10‐6 Torr. 

In  the study of Cho et al  [36],  functionally gradient diamond‐like carbon (FGDLC)  films were  fabricated using a 

novel pulsed laser deposition technique to enhance adhesion strength. A 355 nm picoseconds laser  beam was split 

into two  beams, and the power of each split  beam was changed individually  by a motorized  beam attenuator as a 

function of  time.  In  this way,  two  laser  beams with customized  time‐varying powers were available  for ablating 

two different target materials. Two  beams were irradiated on graphite and 316L stainless steel targets, respectively, 

in a vacuum chamber, and the produced dissimilar plasmas were mixed in space  before they were deposited on a 

stainless steel 316L substrate. Using this method, they have  built FGDLC films with a thickness of ∼510 nm, where 

the composition changes gradually from stainless steel to DLC in the direction of deposition. They have confirmed 

that FGDLC films show much higher adhesion strength than normal DLC films. 

Page 7: Me 10140

7/23/2019 Me 10140

http://slidepdf.com/reader/full/me-10140 7/9

www.me‐ journal.org   Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 4, 2015 

54 

In  the  study of Fominski  et  al  [37], Bi‐layer W–Se–C/diamond‐like  carbon  (DLC)  and WSex/DLC  coatings were 

obtained  by  standard and  shadow‐masked pulsed  laser  co‐deposition  from WSe2 and graphite  targets. W–Se–C 

coatings  appeared  as  nanocomposites  containing  quasi‐amorphous  WSe2 ,  WC,  spherical  β‐W  nanocrystalline 

particles  encapsulated  in  WSe2  amorphous  shell,  and  amorphous  carbon  phases.  In  WSex/DLC  coatings,  the 

formation  of  chemical   bonds   between  W  and  C  atoms  was  noticed  at  the  interface.  An  increased  of  the  C 

concentration over 40 at.% increases hardness and elasticity (up to 2 times at ~ 60 at.%C), and the Se/W ratio was always close to 1.4. The use of shadow‐masked configuration avoided the deposition of micro‐ and nanoparticles. 

However, this method led to a substantial increase of the Se content (Se/W ≥ 4), and the coatings  became softer. 

Conclusions

  Metal implants are mainly fabricated from stainless steels, cobalt  base or titanium  base alloys.  Metal implants 

must have excellent corrosion resistance as well as good  biocompatibity. 

  Biocompatibity  is achieved on a metal  implant  by  the application of proper surface  treatment. Laser surface 

treatment is considered as a new and promising technology for surface treatments. 

  Laser surface  treatments performed on metal  implants are mainly of  two  types;  the  first concerned with  the 

deposition of hydroxyapatite (HA),  bone‐like material while the second focused on the deposition of diamond‐

like carbon (DLC).  DLC coatings are formed only under vacuum. 

REFERENCES 

[1]  R.S. Schuthz, the Language of Fractores, 2nd ed., Williams and willins 1990  , p. 29‐36. 

[2]  D.A. Puleo, W.W. Huh, Acute Toxicity of Metal Ions in Cultures of Osteogenic Cells Derived from Bone Marrow Stromal 

Cells .  J. Appl. Biomater. 1995: 6:109‐ 116. 

[3] 

 J.J.  Jacobs,  J.L. Gilbert, R.M. Urban, Corrosion of Metal Orthopedic implants,  J. Bone  Joint surg. 1998; 80: 268‐82. 

[4]  C Lhotha., T Szekeres, I. Steffan. K. Zhuber,  K Zweymuller, Four  Year Study of Cobalt and Chromium Blood Levels in 

Patients Managed  With Two Different Metal‐on‐Metal Total Hip Replarment,  J. Orthop. Res. 2005; 21; 189‐95. [5]   J.J.  Jacobs, N.J. Hallab, A.K. Skipor, R.M. Urban, Metal deradation Products ; A Cause for Concern in Metal‐Metal Bearings, 

Clin. Orthop.  Relat. Res. 2003: 417:139‐47. 

[6]   J.J.  Jacobs, A.K. skipor, L.M. Patterson, N.J. Hallab, W.G. Parprosky,  J. Balck, Metal Release in Patients Who Have Had a 

Primary Total Hip With Orthoplasty,  J. Bone  Joint Surg., 1998;80:1447‐58. 

[7] 

D. Granchi, G. Ciapetti, S. Stea, A.S. Filippini, G. Zinghi, L. Monteraro, Cytokine Release in Mononuclear Cells of Patients 

With Co‐Cr Hip Prosthesis, Biomaterials 1999;20:1079‐86. 

[8] 

Y.  Niki,  H.  Matsumoto,  Y.  Suda,  T.  Otans,  K.  Fujikawa,  Y.  Toyama,  Metal  Ions  Induce  Bone‐Resosption  Cytokine 

Production Thorough the Redox Pathway in Synoviocytes and Bone Marrow Macrophages, Biomaterials 2003, 24:1447‐57. 

[9] 

 J.Y. Wang, B.H. Wicklund, R.B. Gustilo, D.T. Tsukayama, Titanium  , Chromium and Cobalt Ions Modulate the Release of 

Bone–Associated Cytokines  by Human Monocytes/ Macrophages In‐Vitro. Biomaterials 1996: 17 :2233‐40. 

[10]  D.R. Haynes, S.J. Boyle, S.D. Rogers, D.W. Howie, B. Vernon‐Ropert., Variation  in Cytokines Induced  by Particles From 

Different Prosthetic Materials, Clin. or Bone Relat. Res., 1998; 352; 223‐30. 

[11]  Bi Y, Ran de Motter RR, Ragab AA  , Goldberg VM, Anderson  JM, Greenfield  EM, Titanium Particles  Stimulate  Bone 

Resorption  by inducing differentiation of  marine osteoclasts .  J Biomed Mater Res 2001, 83: 501‐8. 

[12]  M.J. Allen, B.J. Myer, P.J. Millet, N. Rushton, The effecto of Pariciulte cobalt,  chromium and  cobalt‐chromium allay on 

human osteoblast‐like cells in vitro.  J Bone  Joint Surg. 1997;79:475‐82. 

[13]  M.L.  Wang,  L.J.  Nesti,  R.  Tuli,  J.  Lazatin,  K.G.  Danielson,  P.F.  Sherkey,  Titanium  Particles  Supperess  Expression  of 

Osteoblastic  Pheno‐Type in Human Messenchymal stem cells.  J orthop. Res., 2002; 20:1175‐84. 

[14] 

H.W. Danissen, K. De Groot, P.Ch. Makkes, A. Van  Den Hoff, P.J. klopper, Tissue Response to Dense Apatite Implants in 

Rats,  J.  biomed, Mater. Res. 1980;14:713‐21 

Page 8: Me 10140

7/23/2019 Me 10140

http://slidepdf.com/reader/full/me-10140 8/9

 Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 4, 2015  www.me‐ journal.org 

55 

[15] 

C. Wu, Y. Ramaswamy, D. Gale, W. Yang, K. Xiao, L. Zhang, Y. Yin, H. Zreiqat,  Novel Sphene Coatings on Ti‐6A1‐4V for 

Orthopedic Implants Using Sol‐Gel Method, Acta Biomater. 2008; 4:569‐76. 

[16]  M.  Javidi, S.  Javadpour, M.E. Bahrololoom,  J. Ma, Electrophoretic  Deposition of Natural Hydroxy Apatite on Medical 

Grade 316 L  Stainless Steel, Mater. Sci. Eng. C., 2008 ;28: 1509‐15. 

[17] 

Y.  Yang,  K.  Kim,   J.  L.  Ong.,  A  Review  on  Calcium  Phosphate  Coating  Produced  Using  a  Sputtering  Process‐ An Alternative to Plasma Spraying, Biomaterials 2005; 26:327‐37. 

[18]  E.I. Zhang, C.M. Zou, S.Y. Zeng, Preparation and Characterization of Silicon‐ Substituted  Hydroxyapatite Coating  by a 

Biomimetic Process on Titanium Substrate,. Surf. Coat. Tech. 2009; 203:1075‐80. 

[19]  L.  M.  Sun,  C.C.  Berndt,  K.A.  Gross,  A.Kucuk,  Materials  Fundamentals  and  Clinical  Performance  of  Plazma‐Sprayed 

Hydroxyapatite Coating, A Review,  J. Biomed. Mater. Res. Appl. Biomater. 58B (2001)570‐592. 

[20] 

S.A.  Hocking,  M.  Zuraw,  E.J.  Harvey,  M.  Tanzer,  JJ.Krygier,  S.D.  Bobyn,  A  Physical  Vapor  Deposition  Method  for 

Controlled Evaluation of Biological Response to Biomaterial Chemistry and Topography,  J. Biomed. Mater. Res. 82 A (2007) 

175‐187. 

[21]  R. Krishnan, R. Ramaseshan, Tom Mathews, R. Nithya, S. Dash, A.K. Tyagi and Baldev Raj, Surface Engineering 25 (3), 

2009 223‐227. 

[22]  V. Nelea, C. Morosanu, M. Descue,  I. N. Mihailescue, Hydroxyapatite  thin  films grown  by pulsed  laser deposition and 

radio‐frequency magnetron sputtering: comparative study, Appl. Surf. Sci. 228 (2004) 346‐356. 

[23]  S. Grigorescui, C. Ristoscu, G. Socol, E. Axente, F. Feugeas, I. N. Mithallescu, Hydroxyapatite Pulsed Laser Deposited Thin 

Films Behavior When Submitted to Biological Simulated Tests, Romanian Reports in Physics, Vol. 57, No. 4, P. 1003‐1010, 

2005. 

[24]  W. H. Syed, A.  J. Pinkerton  , Z. Liu  and L. Li   , Single‐step laser deposition of functionally graded coating  by dual ‘wire–

powder’ or ‘powder–powder’ feeding—A comparative study, Applied Surface Science 253 (2007) 7926–7931. 

[25]  Vasanthan,  H. Kim, S. Drukteinis, & W. Lacefield, Implant Surface Modification Using Laser Guided Coatings: In Vitro 

Comparison of Mechanical Properties,  Journal of Prosthodontics 17 (2008) 357‐364. 

[26]   J.V. Rau, V.V. Smirnov, S. Laureti, A. Generosi, G. Varvaro, M. Fosca, D. Ferro, S. Nunziante Cesaro, V. Rossi Albertini, 

S.M.  Barinov,  Properties  of  pulsed  laser  deposited  fluorinated  hydroxyapatite  films  on  titanium,  Materials  Research 

Bulletin 45 (2010) 1304‐1310. 

[27] 

X.  Bai,  K.  More,  C.  M.  Rouleau,  A.  Rabiei,  Functionally  graded  hydroxyapatite  coatings  doped  with  antibacterial 

components, Acta Biomaterialia 6 (2010) 2264‐2273 

[28]  H. C. Man, K.Y. Chiu, X. Guo, Laser  surface micro‐drilling and  texturing of metals  for  improvement of adhesion  joint 

strength, Applied Surface Science 256 (2010) 3166–3169. 

[29]   J. Hu, Zhongyi Wang,  Taihong Guan, Yang Gao, Xiaowei Lv, Xin Lin, Chak‐yin  Tang,  Bo Gao,  In  situ  synthesis  and 

fabrication of tricalcium phosphate  bioceramic coating on commercially pure titanium  by laser rapid forming, Surface & Coatings Technology 204 (2010) 3833‐3837. 

[30]  Y. Wang, Y. Y. Chana, C. L. Chang, Y.W. Huang, Deposition of diamond‐like carbon films containing metal elements on 

 biomedical Ti alloys, Surf. Coat. Tech. 200 (2005) 2175 ‐2180. 

[31]  F. Xiong, Y.Y. Wang, V. Leppert, R.P.H. Chang, Pulsed Laser Deposition of Amorphous Diamond‐like Carbon Films With 

ArF (193 nm) Excimer Laser, Technical Report No. 10, Office of Naval Research, Grant # N000148911848, November 1992.  

[32]  M. Hanabusa and K. Tsujihara , Deposition of Diamond‐Like Carbon Films  by Excimer Lasers Using Frozen Acetylene, 

Tsujihara IEEE  Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 1, No. 3, Sept. 1995. 

[33] 

 J.M. Lackner, C. Stottera, W. Waldhauser, R. Ebnera, W. Lenzb, M. Beutld, Pulsed laser deposition of diamond‐like carbon 

coatings for industrial tribological applications, Surface and Coatings Technology 174 –175 (2003) 402‐407. 

[34]  K. Honglertkongsakul, P.W. May, B. Paosawatyanyong, Electrical  and  optical properties  of  diamond‐like  carbon  films 

Page 9: Me 10140

7/23/2019 Me 10140

http://slidepdf.com/reader/full/me-10140 9/9

www.me‐ journal.org   Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 4, 2015 

56 

deposited  by pulsed laser ablation, Diamond & Related Materials 19 (2010) 999‐1002. 

[35] 

S.S.  Yap,  T.Y.  Tou,  Investigation  of  diamond‐like  carbon/silicon  heterojunctions  deposited  by  pulsed  Nd:YAG  laser, 

Vacuum 82 (2008) 1449‐1451. 

[36]  H. Cho, S. Kim, H. Ki  , Pulsed laser deposition of functionally gradient diamond‐like carbon (DLC) films using a 355 nm 

picosecond laser, Acta Materialia, 60 (2012) (18) 6237‐6246. [37]

 

V. Yu. Fominski, S.N. Grigoriev,  J.P. Celis, R.I. Romanov, V.B. Oshurko, Structure and mechanical properties of W–Se–

C/diamond‐like  carbon  and W–Se/diamond‐like  carbon  bi‐layer  coatings prepared  by pulsed  laser deposition Original 

Research Article, Thin Solid Films,  520 (21) (2012) 6476‐6483.