CARACTERIZACI N SUPERFICIAL DE ACERO INOXIDABLE AISI 316 L EN CONTACTO CON SOLUCI N FISIOL GICA SIMULADA

CONGRESO CONAMET/SAM 2004
CARACTERIZACIÓN SUPERFICIAL DE ACERO INOXIDABLE AISI
316 L EN CONTACTO CON SOLUCIÓN FISIOLÓGICA SIMULADA
D.A. López(1), A. Durán(2), S. Ceré(1)
(1)
INTEMA. Fac de Ingeniería. Universidad Nacional de Mar del Plata. Juan B. Justo 4302. (B7608FDQ) Mar
del Plata. Argentina. e-mails: [email protected] / [email protected]
(2)
ICV- CSIC. Campus de Canto Blanco. (28049) Madrid. España. e-mail: [email protected]
RESUMEN
Las aleaciones de titanio y cobalto, así como algunos aceros inoxidables, se encuentran dentro de los materiales
empleados con mayor frecuencia en cirugía ortopédica. En los países más desarrollados, el acero inoxidable es
utilizado únicamente para implantes temporarios debido a que se sabe que su resistencia a la corrosión en medio
fisiológico no es tan buena como la de otras aleaciones. Sin embargo, el empleo de aleaciones de aceros
inoxidables para implantes permanentes en países en vías de desarrollo es habitual. Por lo tanto, es necesario
incrementar el conocimiento acerca del comportamiento frente a la corrosión de este material así como de las
características de la capa superficial generada en medio fisiológico con el fin de poder controlar la toxicidad
potencial de la liberación de iones metálicos en el organismo.
Las películas superficiales usualmente poseen una composición y estado químico diferente del material base. La
caracterización superficial de aleaciones empleadas en cirugía ortopédica no debe subestimarse, ya que posee
una gran influencia en el desempeño del implante a través de la relación película superficial-tejido y la posible
migración de iones metálicos desde el metal base al tejido circundante.
En este trabajo se presenta un estudio de la composición superficial y de la resistencia a la corrosión de acero
inoxidable AISI 316L en solución fisiológica simulada (SBF) aireada a pH 7.25 y 37 °C. La resistencia a la
corrosión se estudió mediante espectroscopia electroquímica de impedancia (EIS) y curvas de polarización
anódicas.
Palabras Claves: acero inoxidable 316L, SBF, corrosión.
1. INTRODUCCIÓN
La utilización de metales en implantes biomédicos
ortopédicos y odontológicos se basa fundamentalmente en las solicitaciones mecánicas extremas a las
que éstos están sometidos en servicio [1]. Idealmente,
un implante metálico debería ser completamente inerte
en el cuerpo humano, sin embargo, rara vez sucede
así. Los fluidos orgánicos son extremadamente
hostiles a los materiales metálicos y su efecto sobre
los implantes y de éstos sobre los tejidos circundantes,
es de fundamental importancia. Estos materiales
tienen tendencia termodinámica a corroerse, aunque
sin embargo, poseen en común la formación de una
película protectora que es capaz de mantener los
niveles de corrosión en valores aceptables de manera
que estos valores sean bajos para una aplicación
concreta, puesto que los productos de corrosión
pueden resultar tóxicos para los tejidos. La eficacia de
la película superficial depende de la resistencia de las
capas de pasivación a la ruptura y de la capacidad de
repasivación de los materiales bajo estudio en el
medio de trabajo. El uso de metales en cirugía
ortopédica está a su vez condicionado por la
agresividad del medio fisiológico y puede originar la
liberación de productos de degradación y/o desgaste
no deseados en el organismo [2,3,4].
A pesar de los numerosos avances realizados en
cirugía ortopédica, las soluciones aceptadas distan
mucho de ser perfectas, en especial en cuanto al
material se refiere. Así, los aceros inoxidables son
mayoritariamente utilizados a nivel mundial en
implantes temporarios, mientras que las aleaciones de
Cr-Co y el Ti aleado se utilizan para implantes
permanentes.
La necesidad de reducción de costos en los servicios
de salud pública en nuestro país ha redundado en el
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uso masivo del acero inoxidable como la opción más
económica dentro de las aleaciones metálicas usadas
en cirugía ortopédica. Sin embargo, se han encontrado
respuestas adversas en los tejidos circundantes al
implante mostrando encapsulación y membranas
fibrosas en el entorno de la prótesis, además de
numerosas fallas en la zona cabeza cuello de las
prótesis de acople cónico [5]. Es importante destacar
además, que la composición de los óxidos protectores
se relaciona con el comportamiento a la corrosión de
las aleaciones ortopédicas. Se requiere entonces, una
caracterización detallada de estas superficies para
optimizar la biocompatibilidad de las aleaciones de
uso quirúrgico.
manteniendo la temperatura en 37 °C. Las muestras se
preacondicionaron en SBF con aireación durante 24
hs. antes de la realización de los ensayos, siendo
suspendido el burbujeo durante la realización de los
mismos.
Se efectuaron curvas de polarización anódicas
mediante un barrido potenciodinámico desde el
potencial de corrosión (Ecorr) hasta un valor de 0.5 V
vs. ECS o bien una densidad de corriente máxima de
0.001 A.cm2, con una velocidad de barrido de 0.001 V
s-1.
Por otro lado, se registraron espectros de Impedancia
Electroquímica (EIS) se registraron en el entorno del
Ecorr con una amplitud de 0.005 V, barriendo un
intervalo de frecuencias entre 10000 y 0.01 Hz.
En este trabajo se presenta un estudio preliminar sobre
de la composición y resistencia a la corrosión de acero
inoxidable AISI 316L en solución fisiológica simulada
(SBF) a pH 7.25 y 37 °C. La resistencia a la corrosión
se estudió mediante espectroscopia electroquímica de
impedancia (EIS) en el entorno del potencial de
corrosión y por medio de curvas de polarización
anódicas.
Asimismo, se monitoreó el Ecorr antes y después de los
ensayos electroquímicos anteriormente mencionados.
2. MATERIALES YMÉTODOS
En la Tabla 1 se presentan los valores promedio de los
Ecorr medidos para cada uno de los materiales de
trabajo en SBF aireada a 37 °C.
Se trabajó con acero inoxidable AISI 316L (en % p/p:
17-20 Cr, 12-14 Ni, 2-4 Mo, 2 máx. Mn, 0.75 máx. Si,
0.03 máx. S, 0.03 máx. P, 0.03 máx. C, Fe balance
[6]) y sus principales elementos componentes de
aleación: Cr, Ni y Fe. Los electrodos se fabricaron a
partir de discos obtenidos de varillas de los
respectivos materiales, que fueron incluidos en
soportes de PVC y rellenados con resina epoxi. El
contacto eléctrico se efectuó mediante un cable
soldado en la parte posterior del material de trabajo
previamente al sellado con el mencionado epoxi. Las
muestras se pulieron con papel esmeril hasta
granulometría 600.
En el caso de las muestras de 316L se efectuó un
tratamiento previo para evitar la corrosión de las
muestras por rendija. Se realizó un el desbaste de los
laterales de los discos con papel esmeril de baja
granulometría y posteriormente se pasivaron en
solución de ácido nítrico al 50 % a 50 °C por media
hora. Luego se pintaron con un barniz epoxi fenólico
horneable (B5061/F marca SYNCO) y se sometieron a
120 °C por diez minutos.
Para todos los ensayos se empleó solución fisiológica
simulada (SBF) con la siguiente composición química
[7]: NaCl (8.053 g.l-1), KCl (0.224 g.l-1), CaCl2 (0.278
g.l-1), MgCl2.6H2O (0.305 g.l-1), K2HPO4 (0.174 g.l-1),
NaHCO3 (0.353 g.l-1), (CH2OH)3CNH2 (6.057 g.l-1).
El pH fue ajustado a 7.25 con HCl concentrado.
Las mediciones electroquímicas se efectuaron con un
equipo Solartron 1280B empleando una celda de tres
electrodos, con Pt como contraelectrodo y un
electrodo de calomel saturado (ECS) como referencia.
Se trabajó en un baño termostático (Vicking 4100)
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Tabla 1. Ecorr (mV vs. ECS) de los materiales
empleados para los ensayos electroquímicos en SBF
aireada a 37 °C.
316L
-191 ± 41
Cr
-639 ± 42
Ni
-193 ± 67
Fe
-619 ± 6
Se puede apreciar que la aleación presenta un valor de
Ecorr más noble que sus componentes Fe y Cr, con
valores más negativos. Sin embargo, el Ni exhibe
potenciales de corrosión similares a los del acero
inoxidable, por lo que dicho ennobleciemiento podría
estar relacionado con la presencia de este elemento
composicional [8].
En la Figura 1 se presentan las curvas de polarización
anódicas características para cada material en las
condiciones experimentales empleadas.
Se ve que la densidad de corriente del Cr es
proporcional a la del acero inoxidable, siendo esto
consistente con estudios anteriores que indican a los
óxidos de Cr como uno de los componentes
principales en los óxidos de los aceros inoxidables
[8,9].
Sin embargo, en el intervalo de potenciales estudiado,
el Cr no presenta evidencias de corrosión por picado,
mientras que el AISI 316L sí lo hace. Por lo tanto,
también habría óxidos de Ni y Fe en la superficie del
acero inoxidable, que harían que dicha aleación
presente un potencial de picado en las condiciones
experimentales utilizadas.
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En los diagramas de la Figura 2 se observa que la
resistencia total del sistema posee un valor de 11.6 104
Ω.cm2 para el AISI 316L, 4.6 104 Ω.cm2 para el Ni,
1.0 104 Ω.cm2 para el Fe y 0.4 104 Ω.cm2 para el Cr.
0,6
0,4
E / V vs. ECS
0,2
0,0
-0,2
-0,4
-0,6
1E-6
1E-5
1E-4
log j / A.cm
1E-3
0,01
2
Figura 1. Curvas de polarización anódicas
en SBF aireada a 37 °C.
(⎯) AISI 316L, (---) Cr, (…) Ni, (-⋅-⋅) Fe.
Módulo Z / Ω.cm
2
En las Figuras 2 y 3 se presentan los espectros de
impedancia electroquímica en el formato de Bode,
obtenidos para los diferentes materiales luego de 24
hs. de inmersión en SBF aireada a 37 °C.
10
5
10
4
10
3
10
2
10
1
Por otro lado, de la Figura 3 se desprende que el acero
inoxidable presenta una sola constante de tiempo con
comportamiento difusivo (ángulo de fase constante);
el Ni posee un comportamiento resistivo a bajas
frecuencias, con una sola constante de tiempo; el Fe
también presenta una constante de tiempo, con un
máximo de ángulo de fase en bajas frecuencias y el Cr
parecería tener dos constantes de tiempo, con
comportamiento resistivo a bajas frecuencias.
De lo anterior se desprende que a 24 hs. de inmersión
y en el entorno del Ecorr, el Ni y el Fe presentarían un
proceso de corrosión caracterizado por una única
constante de tiempo, mientras que el Cr, con dos
contantes de tiempo, tendría una película superficial
porosa.
Por otra parte, el acero inoxidable posee un
comportamiento difusivo que se podría asociar con el
pasaje de especies en solución a través de una película
pasivante.
Mediante estos ensayos no se ve una contribución
específica de los elementos componentes de la
aleación en el comportamiento electroquímico del
acero inoxidable AISI 316L.
Con el fin de establecer la composición de la película
superficial formada en SBF a 37 °C y poder
correlacionar estos resultados, se plantea efectuar
experiencias mediante espectroscopia fotoelectrónica
de rayos X (XPS).
10
-2
10
-1
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
frecuencia / Hz
Figura 2. Diagramas de Bode frec. vs. Mód. Z
en SBF aireada a 37 °C.
( ) AISI 316L, (◊) Cr, (o) Ni, (Δ) Fe.
-100
-90
θ / grados
-80
4. CONCLUSIONES
• De los valores de Ecorr se podría correlacionar el
ennobleciemiento del potencial de corrosión del
AISI 316L con la presencia de Ni en los óxidos
superficiales formados en la aleación inmersa en
SBF aireada a 37 °C.
-70
• A partir de los ensayos electroquímicos efectuados
-60
no se infiere una contribución específica de alguno
de los componentes principales de la aleación en su
comportamiento frente a la corrosión.
-50
-40
-30
• Se propone efectuar nuevas experiencias mediante
-20
XPS con el fin de correlacionar los resultados
obtenidos.
-10
0
10
-2
-1
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
frecuencia / Hz
Figura 3. Diagramas de Bode frec. vs. θ
en SBF aireada a 37 °C.
( ) AISI 316L, (◊) Cr, (o) Ni, (Δ) Fe.
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5. AGRADECIMIENTOS
Este trabajo ha sido financiado por el PICTO 11338
de la Agencia de Promoción Científica y Tecnológica.
6. REFERENCIAS
[1] J.B. Park, “Biomaterials Science and Engine-
ering”, Plenum Press, New York, 1984.
[2] J. Woodman, J. Black, D. Nunamaker, J. Biomed.
Mater. Res., 17, 1983, pp. 655-658.
[3] J. Jacobs, C. Silverton, N. Hallab, A. Skipor, L.
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
Patterson, J. Black and J. Galante, Clinical
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pp. 173-180.
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Jacobs, Gilbert and Urban, J. of Joint and Bone
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Yamamuro, J. of Biomedical Materials Research,
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