ESTUDO DA CORROSÃO POR PITE DE NOVOS AÇOS INOXIDÁVEIS APLICADOS EM IMPLANTES ORTOPÉDICOS EM MEIO DE SOLUÇÕES DE RINGER LACTATO

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Edison Canário Mendonça
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1 ESTUDO DA CORROSÃO POR PITE DE NOVOS AÇOS INOXIDÁVEIS APLICADOS EM IMPLANTES ORTOPÉDICOS EM MEIO DE SOLUÇÕES DE RINGER LACTATO Ruth F. V. Villamil 1 (PQ), Arnaldo H.P. de Andrade (PQ) 2, Celso A. Barbosa 2 (PQ), e Silvia M.L.Agostinho 1 (PQ) 1- Instituto de Química da Universidade de São Paulo (IQUSP) Caixa Postal CEP Instituto de Pesquisas Nucleares IPEN 3- Villares Metals S. A. Caixa Postal 146 CEP Sumaré SP 6º COTEQ Conferencia sobre Tecnologia de Equipamentos 22º CONBRASCORR Salvador Bahia 19 a 21 de agosto de 2002 As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade do (s) autor (es)

Agostinho 1 (PQ) 1- Instituto de Química da Universidade de São Paulo (IQUSP) Caixa Postal 26077 CEP 05599-970 2 Instituto de Pesquisas Nucleares IPEN 3- Villares

2 SINOPSE O aço inoxidável especial ISO , empregado em implantes ortopédicos foi estudado em solução Ringer Lactato, à temperatura de 36 o C e foi comparado com os aços 316 L e F 138, através de voltametria cíclica e análise da superfície por microscopia óptica. O aço ISO só apresenta elevação de corrente no potencial de transpassivação, isto é, a 1140 mv / ECS, enquanto os aços 316 L e F 138 apresentaram potenciais de pite iguais a 410 mv/ecs e 440 mv/ecs, respectivamente. Análise por microscopia óptica da superfície polida e após o ataque por 15 minutos a 50 mv mais positivos do que o potencial de elevação da corrente confirmou os resultados obtidos por voltametria cíclica, mostrando a presença de corrosão localizada apenas nos aços 316 L e F 138. Palavras Chave: Aços Inoxidáveis Especiais, Solução Ringer Lactato, Implantes Ortopédicos

O aço ISO 5832-9 só apresenta elevação de corrente no potencial de transpassivação, isto é, a 1140 mv / ECS, enquanto os aços 316 L e F 138 apresentaram potenciais de pite iguais a 410 mv/ecs e 440

3 1 - INTRODUÇÃO A corrosão por pite é um dos maiores problemas na área de medicina, isto porque o material metálico no corpo humano sofre dissolução química ou reação eletroquímica com uma velocidade significativa. O emprego dos aços inoxidáveis em implantes ortopédicos continua sendo realizado por duas razões: sua maior resistência mecânica e seu custo mais baixo, quando comparados aos outros materiais não ferrosos[1-13]. Estudos da literatura [14] têm mostrado que novos aços inoxidáveis austeníticos contendo teor de nitrogênio da ordem de 0,4 % em peso, apresentam uma melhor aplicabilidade em implantes ortopédicos quando comparados ao aço inoxidável F 138 com 0,029 % de nitrogênio. Villamil et ali[15-16] têm estudado um novo aço inoxidável, o ISO , que contém, além de nitrogênio em porcentagem superior à do F 138, teores de nióbio da ordem de 0,3 %. Este aço tem se mostrado muito mais resistente do que os aços convencionais, tanto pelo valor do potencial de pite (E p ) quanto pela ordem de grandeza da sua corrente passiva em meios de NaCl 0,11 mol L -1 a T = 36,5 C [15] e em meio de Na Cl 0,9% a ph igual a 4,0 e temperatura de 40 C[16]. O objetivo deste trabalho é estudar a corrosão por pite do aço ISO em meio da solução Ringer Lactato a uma temperatura de 36 C e compará-lo aos aços convencionais 316 L e F 138 no mesmo meio e à mesma temperatura. A literatura [17-20] mostra que a solução Ringer Lactato é freqüentemente usada, por exemplo, na reposição de líquidos no caso de pré-eclâmpsia grave, na desidratação, quando acompanhada de quadros de hemorragia, na reposição de perdas plasmáticas, na prevenção do edema pulmonar, em traumatismos cranioencefálicos. A vantagem de se utilizar o Ringer Lactato é que o fígado metaboliza lactato em bicarbonato, importante no combate à acidose metabólica.

O emprego dos aços inoxidáveis em implantes ortopédicos continua sendo realizado por duas razões: sua maior resistência mecânica e seu custo mais baixo, quando comparados aos outros materiais não

4 2 - PARTE EXPERIMENTAL Substrato metálico Aços inoxidáveis ISO A Tabela 1 apresenta a composição química em porcentagem em massa do aço ISO empregado neste estudo bem como dos aços 316 L e F138, estudados para efeito de comparação. Solução A solução empregada foi uma solução comercial de Ringer Lactato cuja composição é dada pela Tabela 2 A temperatura empregada nos estudos foi de 36 o C, Equipamentos Foram empregados um potenciostato PAR 273 A acoplado a um osciloscópio e a um micro computador e a uma impressora HP 840 C e um microscópio óptico da Olympus. 3 - RESULTADOS E DISCUSSÃO Observa-se pela Figura 1 a voltametria cíclica a 1 mvs -1 dos aços inoxidáveis ISO , 316 L e F 138. Os voltamogramas mostram que todos os materiais se encontram passivados no meio estudado mas os valores de potencial em que ocorre elevação de corrente são bem diferentes. O que se tem a destacar é que o aço ISO amplia a região de potencial da camada passiva em 600 mv quando comparado com a liga F 138. Além disso, verificase praticamente ausência de histerese para a liga ISO quando comparada com as ligas 316 L e F 138. Estes resultados são melhor observados na Tabela 3, onde-se vê, também, que o valor da densidade de corrente da passivação (j pass ) e cerca de dez vezes menor para o aço ISO quando comparada, com as dos outros dois aços. Na Tabela 4 são apresentados os valores obtidos anteriormente em meio de Na Cl 0,11 mol L - 1 [15], para comparação. Os valores de potencial de pite para os aços 316 L e F

Solução A solução empregada foi uma solução comercial de Ringer Lactato cuja composição é dada pela Tabela 2 A temperatura empregada nos estudos foi de 36 o C, Equipamentos Foram empregados um

5 138 são comparáveis nos dois meios estudados. A solução Ringer Lactato antecipa de 100 mv o potencial de transpassivação do aço ISO Observa-se que em solução Ringer Lactato os valores de j pass são todos menores para os aços estudados quando comparados com os obtidos em meio de NaCl 0,11 mol L -1 à mesma temperatura. Como a força iônica das soluções é comparável a diferença nestes resultados pode ser atribuída à presença de ions lactato adsorvidos na superfície do eletrodo. Observa-se que o aço ISO é muito mais resistente à corrosão localizada do que os aços 316 L e F 138. Estes últimos apresentam potenciais de pite, enquanto o aço ISO apresenta elevação da corrente na região de transpassivação. Este resultados já foram observados em meios de NaCl 0,11 mol L -1 a T = 36,5 C [15] e em meio de Na Cl 0,9% a ph igual a 4 e 40 C[16]. Na Figura 2 é apresentada a análise das superfícies dos aços inoxidáveis ISO , 316 L e F138 por microscópica óptica após ataque eletroquímico (50 mv acima do potencial de elevação de corrente). Observa-se que o aço 316 L, no potencial de 410 mv/ecs e o aço F 138, a 440 mv / ECS, apresentam significativa corrosão localizada. O aço ISO , a 1160 mv/ecs, se mostra com uma superfície comparável à observada após tratamento superficial, apresentado num trabalho anterior[16], sugerindo ausência de ataque localizado e presença de inclusões. Estes resultados podem ser atribuídos à presença de maior número de inclusões na forma de carbonitretos, observados por ataque metalográfico, citado por Villamil [15]. 4 - CONCLUSÕES Ensaios acelerados de corrosão mostram que o aço inoxidável ISO é muito mais resistente à corrosão por pite do que os aços convencionais, em meio de solução Ringer Lactato a 36 C. Os resultados foram confirmados por microscopia óptica. 5 BIBLIOGRAFIA 1. Walczak J. Shahgaldi f. Heatley F. Biomaterials. 19,1-3, , 1998.

Como a força iônica das soluções é comparável a diferença nestes resultados pode ser atribuída à presença de ions lactato adsorvidos na superfície do eletrodo.

6 2. Urs I. Thomann, Peter J. Uggowitzwer, Wear, 239, 48-58, ASTM Designation F standard specification for Wrought 18 Chromium Molybdenum stainless Steel Bar and wire for Surgical Implantes (UNS S31673) 4. Viaro N.S.S., Tese de Doutorado, Porto Alegre, Walczak J, Shahgaldi F, Heatley F., Biomaterials, 19, 1-3, , ASTM Designation F Standard Specification for Stainless Steel Bar and Wire for Surgical implants (special Quality). 7. International Standard ISO , Implants for surgery-metallic Materials- part 9: Wrought high nitrogen stainless steel. 8. Michel R, Hofman J, Holm R, Zilkens J., Zeitschrift Fur Orthopadie Und Ihre Grenzgebiete, 118, 5, , Sivakumar M, Dhanadurai K, Suresh Kumar, Rajeswari S, Thulasiraman V., Journal of Materials Science Letters, 14, 5, , Sousa R, Fau D, Bejui J., Revue De Medecine Veterinaire, 142, 7, , Syrett B.C., Wing, S.S., Corrosion 34, 138, Gotman I., Journal of Endourology, 11, 6, , Walczak J. Shahgaldi F. Heatley F., Biomaterials, 19, 1-3, , W.C. Silva Jr. Dissertação de Mestrado. Escola Politécnica da USP,2000.

, Biomaterials, 19, 1-3, 229-237, 1998. 6. ASTM Designation F 138-92 Standard Specification for Stainless Steel Bar and Wire for Surgical implants (special Quality). 7.

7 15. R.F.V.Villamil, C.A. Barbosa, A. Sokolowski and S.M.L. Agostinho. Pitting corrosion of materials for orthopedic implants: a comparative study of stainless steels in 0,11 mol L -1 NaCl medium submetido a Biomaterials. 16. R.F.V.Villamil, C.A. Barbosa, A. Sokolowski and S.M.L. Agostinho. XXICONBRASCORR - Congresso Brasileiro de Corrosão, São Paulo, 20 a 22 de Agosto Trissel, Lawrence A. Handbook on injectable drugs. 9 ed. Bethesda: American society of Hospital Pharmacists, Drug Facts and Comparisons. 52 ed. St. Louis: facts and Comparisons, Blood Transfusion Therpy A Physician s Handbook (A terapia de transfusão de Sangue- Manual do Médico), de Agradecimentos à FAPESP

Barbosa, A. Sokolowski and S.M.L. Agostinho. XXICONBRASCORR - Congresso Brasileiro de Corrosão, São Paulo, 20 a 22 de Agosto 2001. 17. Trissel, Lawrence A.

8 Tabela 1: Composição química em % em massa dos aços V316 L, F 138 e V Grade * C Si Mn Cr Ni Mo Nb N P S PRE PREN 316L F ISO Tabela 2. Composição da Solução Ringer em g / ml. Substância química g / 100 ml Lactato de sódio 0,3 Cloreto de sódio 0,6 Cloreto de potássio 0,03 Cloreto de cálcio 0,02 Tabela 3. Valores de potencial de elevação da corrente (E i ) e da densidade de corrente de passivação (j pass ) dos aços inoxidáveis ISO , 316 L e F138 em meio de solução Ringer Lactato a T= 36 o C. Aço Inoxidável E i vs ECS / mv j pass /µa cm -2 (100mV) 316 L 410 ± 40 (3) 3,4 ± 1,4 (3) F ± 35 (3) 2,6 ± 1,2(3) ISO ± 50 (3) 0,25 ± 0,34(3)

Substância química g / 100 ml Lactato de sódio 0,3 Cloreto de sódio 0,6 Cloreto de potássio 0,03 Cloreto de cálcio 0,02 Tabela 3.

9 Tabela 4. Valores de potencial de elevação da corrente (E i ) e da densidade de corrente de passivação (j pass )dos aços inoxidáveis ISO , 316 L e F138 em meio de solução Na Cl 0,11 mol L -1 a T= 36 o C. Aço Inoxidável E p vs ECS / mv j pass /µa cm -2 (100mV) 316 L 395 ± 5 (8) 8,7 ± 1,2 (8) F ± 18 (6) 6,8 ± 1,8 (6) ISO ± 11( 5) (0,62±0,87) 10-3 (5) 11 (c) j / m A cm (b) (a) RL - ISO (b) RL L (c) RL - F138 1 (a) E vs E C S / m V Figura 1. Curvas de polarização potenciodinâmica dos aços inoxidáveis ISO (a), 316 L (b) e F 138 (c) em meio de solução Ringer Lactato a temperatura de 36 o C

10 Figura 2. Análise das superfícies dos aços inoxidáveis ISO (a), 316 L (b) e (c) F138, por microscópica óptica após ataque eletroquímico (50 mv acima do potencial de elevação de corrente). O polimento foi ate pasta de diamante de 1µ (100 x).

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