REV. CHIM. (Bucureti) 58 Nr. 10 2007

REV. CHIM. (Bucureti) 58 Nr. 10 2007

Studiul coroziunii oelului inoxidabil 316Ln condiii cvasibiologice

BOGDAN TUTUNARU, ADRIANA PTRU SAMIDE*, MIRCEA PREDAUniversitatea din Craiova, Facultatea de Chimie, Calea Bucureti, Nr. 107i, 200515, Romnia

This work is aimed to a better understanding of the biocompatibility of 316L stainless steel in the humanbody, where various biomolecules are able to bind metal ions and transport them from the surface oforthopaedic implant to various parts of the body. The passivation behavior of orthopaedic 316L implantwas studied in natural plasma and plasma modified with different artificial media by using the electrochemicalmethods. The electrochemical behaviour of steel in natural plasma with: Physiological serum, Glucose,Dextran 70, Aminosteryl,Vamin, Intralipid and Kabiven in the concentrations corresponding to theadministration dosages was investigated. The results were discussed in the context of the formation ofpassive film for which the stability strongly depends on the corrosive activity of the physiological media.

Keywords: stainless steel, corrosion, electrochemical behaviour, quasi-biological media

Materialele metalice folosite ca implanturi trebuie s fiebiocompatibile, n special s fie rezistente la coroziune.Eecurile folosirii implanturilor din oel inoxidabil s-audatorat unor fenomene semnificative de coroziunelocalizat. Coroziunea ca test de biocompatibilitate esteun factor important, care produce ioni metalici n mediulbiologic i n acelai timp degradarea implanturilor. S-auefectuat studii electrochimice in vitro pentru a elucidareaciile de coroziune, ale cror rezultate previzioneazcomportarea materialelor folosite n implantologie.Degradarea metalelor i aliajelor n corpul uman este ocombinaie de efecte datorate coroziunii i activitilormecanice [1-16]. Ionii metalici rezultai n urma proceselorcorosive au efecte alergenice, cancerigene i citotoxice.

Astfel, Takeda [17] afirm c efectul citotoxic almetalelor componente ale diferitelor aliaje utilizate caimplanturi respect urmtoarea ordine: Cr > Co > V > Fe> Mn > Cu > Ni > Mo. Pe plan internaional s-au efectuatnumeroase studii referitoare la comportarea oelurilorinoxidabile n medii biologice [18-31].

Studiul de fa analizeaz comportarea electrochimica implanturilor din oel inox 316L n plasm uman iplasm modificat cu diferite soluii fiziologic artificiale deaminoacizi, glucide i lipide.

Partea experimentalImplanturile metalice studiate au fost confecionate din

oel inoxidabil austenitic de grad chirurgical, de tipul 316L;compoziia oelului este: Cr 16-18%; Ni 10-15%; Mo 2-3%;Mn 2%; P 0,04%; C 0,035%; Si 0,03%; S 0,03%; restul pn la100% Fe.

Msurtorile experimentale s-au realizat utiliznd ocelul electrochimic standard cu trei electrozi; un electrodde lucru, cilindric confecionat din oel inoxidabil 316L cusuprafaa de 1 cm2, un electrod auxiliar, plac din platinlucioas (1 cm2), iar ca electrod de referin s-a utilizatelectrodul saturat de calomel (SCE). nainte de fiecaredeterminare, electrodul de lucru a fost lefuit cu hrtiemetalografic foarte fin, splat cu ap distilat, degresatcu aceton i uscat n aer cald.

Aparatura utilizat a inclus un multimetru electronic detip Keithley, model 2420 3A SourceMeter, care poate generai msura cureni i/sau tensiuni n diferite trepte.Potenialul electrodului de lucru s-a determinat fa de

* email: samide_adriana@yahoo.com

electrodul de referin, cu ajutorul unui milivoltmetrudigital de tipul MS8221C, MASTECH.

Mediile corosive au fost constituite din plasm i plasmcu diferite soluii perfuzabile; Ser fiziologic (NaCl 0,9 %),Glucoz 11%, Dextran 70, Aminosteril (g/L: Glicin 15,95;Alanin 15,00; Prolin 15,00; Valin 5,92; Treonin 4,21;Izoleucin 4,67; Leucin 7,06; Acid malic 8,08; Lizinmonoclorhidrat 7,46; Lizin 5,97; Metionin 4,10; Histidin2,88; Fenilalanin 4,82; Arginin 10,64; Triptofan 1,82; NaOH1,200; KCl 0,683; KOH 85% 0,716; MgCl2

.6H2O 1,017.), Vamin(g/L: Glicin 8,00; Alanin 16,00; Serin 4,66; Prolin 6,66;Valin 7,33; Treonin 5,66; Izoleucin 5,66; Leucin 8,00;Acid aspartic 3,33; Lizin 9,00; Acid glutamic 5,66; Metionin5,66; Histidin 6,66; Fenilalanin 8,00; Arginin 11,33;Tirozin 0,23; Glicerofosfat de sodiu anh. 5,00; Triptofan1,90; KCl 6,00; CaCl2 0,73; MgSO4 1,60; CH3COONa 5,00),Intralipid (g/L: ulei de soia 200; fosfolipide din ou 12; glicerol22; NaOH pn la pH = 8) i Kabiven (61,46% Glucoz 11%+ 20,83% Vamin + 17,71% Intralipid). Plasma uman esteconstituit n cea mai mare parte din ap (90%), cantitimari de substane organice proteice (azotate i neazotate,7,5%) i mai puin din substane organice neproteice, lipide,glucide (1,5%) i sruri minerale (1%). Componeniibiologic activi, constitueni ai plasmei, au n structura lorgrupe funcionale ca: -OH, -SH, -NH2, -COOH, >C=O, -X,>NH, =NH, -S-, -CHO, compui ciclici i heterociclici caredau reacii de oxidare, conduc la produi oxidabili(inhibitori sau acceleratori ai coroziunii) care influeneazdirect fenomenele de oxidare, adsorbie i pasivare abiomaterialelor metalice [32].

Experimentele au fost realizate la temperatura camerei(22 2C). Testele de coroziune n plasm s-au desfuratntr-un timp maxim de 2-3 h de la decongelarea pungilorsterile. Plasma a fost procurat prin comand de la SpitalulClinic Judeean, Craiova.

A fost studiat influena factorului de grup al plasmeiO(I) Rh+ asupra proceselor corosive ale oelului 316L.Pentru a observa modul n care este influenat stabilitateaelectrochimic a filmelor formate n condiii cvasibiologicei extrapolarea rezultatelor la condiii in vivo, n plasm s-au introdus medii fiziologice artificiale n doze perfuzabile:ser fiziologic (15%), glucoz (20%), dextran 70 (20%),aminosteril (amestec de aminoacizi - 15%), vamin(amestec de aminoacizi i glicerofosfat de sodiu - 12%),

923

REV. CHIM. (Bucureti) 58 Nr. 10 2007

intralipid (ulei de soia i fosfolipide - 8%), kabiven (amestecde aminoacizi, glucoz, ulei de soia, fosfolipide - 20%).

Rezultate i discuiin vederea elucidrii influenei factorului de grup a fost

analizat comportamentul oelului 316L n plasm umanpentru grupele de snge O, A, B i AB.

S-au trasat curbele de polarizare anodic a oelului 316Ln condiii poteniodinamice n plasm uman de grupsanguin diferit (fig. 1).

Se observ c n mediile cu plasme O, A, i AB oelul316L se comport asemntor, fr diferene semnificative.Densitile de curent se menin aparent constante, la valorimici, de aproximativ 100-150 A/cm2, pe un domeniu depoteniale destul de larg; 0 1200 mV. La poteniale maipuin pozitive dect 1200 mV oelul este pasivat, iar filmeleformate pe suprafa sunt rezistente, stabile i compacte.

Un comportament diferit se observ n plasma de grupB, domeniul de pasivitate fiind mai restrns cu 200 mV (0 1000 mV). Caracterul corosiv mai puternic al plasmeide grup B poate fi explicat pe baza diferenelor decompoziie fa de alte plasme.

Reprezentarea comparativ a curbelor de polarizareciclic ale oelului 316L n ser fiziologic, ca soluie de bazi n plasme umane de diferite grupuri sanguine, esteredat n figura 2.

Oelul 316L n plasme O, A i AB prezint parametrielectrochimici aproape identici. nregistrarea potenialuluicritic de pitting, n condiiile experimentale date, la valoareade 1000 mV, iar cel de repasivare la aproximativ 600 mV,indic faptul c n plasma B oelul are rezistena lacoroziunea generalizat cea mai mic.

Sistematizarea parametrilor electrochimici obinuiexperimental pentru oelul inoxidabil 316L, n cele patrugrupuri sanguine de plasm uman (O, A, B i AB) esteprezentat n figura 3.

Fig. 1. Curbele de polarizare anodic ale oelului inoxidabil316L (1 cm2) n plasm uman de grup sanguin O, A, B i AB

Fig. 2. Curbele de polarizare ciclic ale oelului inoxidabil 316L (1 cm2) nser fiziologic i plasme umane O, A, B i AB; viteza de baleiaj 5 mV/s

Fig. 3. Valorile comparative ale potenialelor de coroziune (Ecor),critice de coroziune n pitting (Ecp), i de protecie mpotriva pitting-

ului (Epp) pentru oelul inoxidabil 316L n plasme O, A, B, i AB

Fig. 4. Curbele de polarizare anodic ale oeluluiinoxidabil 316L (1 cm2) n plasme

O(I) Rh+ modificate

924

REV. CHIM. (Bucureti) 58 Nr. 10 2007

Administrarea intravenoas a unor soluii, ca mediifiziologice artificiale de restabilire a echilibrelorhomeolitice la pacienii cu diferite afeciuni i care prezintimplantate materiale ortopedice sau dentare confecionatedin oel inoxidabil este important, deoarece astfel desoluii influeneaz procesele de coroziune care au loc lasuprafaa metalic.

Curbele de polarizare anodic, n condiii potenio-dinamice, ale oelului 316L n plasm uman n care s-auintrodus mediile artificiale (Ser fiziologic, Glucoz, Dextran70, Aminosteril, Vamin, Intralipid, Kabiven) sunt prezentaten figura 4.

Figura 4 arat c densitile de curent se meninconstante n intervalul de potenial 0 700 mV, i faptulc oelul 316L se pasiveaz spontan n plasmele modificate.n competiia dintre viteza de difuzie i afinitatea pentrusuprafaa electrodului se poate interpreta c anionii de clori aminoacizii, dei prezint o vitez de difuzie mare auafiniti mici, conducnd la creterea domeniului dedepasivare (800 1200 mV respectiv 900 1200 mV).Prezena suplimentar a glucidelor (soluie glucoz 5%,soluie Dextran 70) n plasm conduce la formarea unorfilme stabile, ce au rezistena la coroziune cea mai mare.

Un alt scop al acestui studiu a fost evaluareapotenialelor critice de pitting (Ecp) i a potenialelor deprotecie mpotriva pitting-ului (Epp) n plasme modificateprin nregistrarea curbelor de polarizare ciclic ale oeluluianalizat, la o vitez de baleiere de 5 mV/s (fig. 5 i 6).

Curbele de polarizare ciclic reprezentate n figurile 5i 6 indic scderea rezistenei la coroziune n pitting nordinea: plasm + ser fiziologic < plasm + Aminosteril plasm + Vamin plasm O < plasm + Kabiven