3.2. Efeito da albumina

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1 3.2. Efeito da albumina Estudo comparativo dos aços UNS S31254, AISI 316L, ASTM F138 e ISO por técnicas estacionárias Medidas de potencial de circuito aberto estacionário A tabela 3.19 mostra os potenciais de circuito aberto estacionário (E corr ) correspondentes aos sistemas: aços inoxidáveis austeníticos UNS S31254, ISO , ASTM F138 e AISI 316L imersos em meio de NaCl 0,11 mol L -1 contendo diferentes concentrações de albumina. As concentrações variam de três ordens de grandeza para os aços F138 e 316L, quatro ordens de grandeza no caso do aço ISO e de cinco ordens de grandeza para o aço UNS S Nas figuras 3.19a a 3.19d são apresentadas as variações E corr com a concentração de proteína para melhor visualização do efeito da albumina sobre os quatro materiais. Tabela Potenciais de corrosão (E corr ) dos aços inoxidáveis austeníticos UNS S31254, ISO , ASTM F138 e AISI 316L em meio de NaCl 0,11 mo L -1 sem e com diferentes concentrações de albumina. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. n = 3. Potenciais vs. ECS. Meio de NaCl 0,11mol L -1 + C albumina (mg L -1 ) E corr (mv) Aços inoxidáveis austeníticos UNS S31254 ISO ASTM F138 AISI 316L 0-20 ± 7-70 ± ±8-107 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 1 Como se pode ver, o comportamento inicial varia, mas a tendência é de o potencial de corrosão se deslocar para valores significativamente mais negativos no meio de albumina de 20 mg L -1. Exceção para o aço ISO, onde o desvio significativo se deu na concentração de proteína de 2 mg L -1, sugerindo maior afinidade da albumina para com a superfície desta liga. Acima de 20 mg L -1 nota-se uma tendência de o potencial de corrosão se tornar menos negativo nas duas ligas menos nobres (F138 e 316L), sendo esta tendência observada a mg L -1 no aço ISO e a mg L -1 no aço 254. É importante referir 65

2 que se observou que a albumina eleva o valor do ph do meio de ph = 6 para ph = 7 na concentração de mg L -1. Por este motivo, o fato de o potencial de corrosão correspondente à concentração mais alta de proteína estudada no aço 254, se tornar comparável ao obtido nos meios sem albumina e com albumina na concentração de 2 mg L -1 pode ser conseqüência também do aumento do ph. 0 UNS S ISO E corr / mv vs. ECS E corr / mv vs. ECS Log(Conc. / mg.l -1 ) albumina (a) ASTM F Log(Conc. / mg.l -1 ) albumina (b) AISI 316L 0 0 E corr / mv vs. ECS E corr / mv vs. ECS Log(Conc. albumina / mg.l -1 ) Log(Conc. albumina / mg.l -1 ) (c) (d) Figura Variação do E corr com a concentração de albumina em meio de NaCl 0,11 mol.l -1 dos aços inoxidáveis austeníticos (a) UNS S31254, (b) ISO , (c) ASTM F138 e (d) AISI 316L. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. Nota: o ponto 0 foi introduzido como 0,5 para possibilitar a sua representação gráfica. O ponto isoelétrico da albumina encontra-se no intervalo de ph [4,7-4,9] [39-41]. Por seu lado, a superfície de um aço em contato com uma solução aquosa apresenta caráter anfotérico: carga negativa em meio básico e carga positiva em meio ácido. A superfície de um aço inoxidável é coberta por um filme formado espontaneamente, rico em ferro e cromo na forma de óxidos e hidróxidos. O ponto isoelétrico ou de carga zero de superfícies de óxido de ferro encontra-se no intervalo de ph [5,2-8,5] e de superfícies de óxido de cromo é aproximadamente 7 [42]. O ph utilizado neste trabalho foi 66

3 aproximadamente 6 e, portanto, a superfície do eletrodo deve ter carga fracamente positiva ou nula, enquanto a proteína se encontra carregada negativamente, podendo haver atração eletrostática entre o eletrodo e a proteína. Seguindo este raciocínio, os aços F138 e 316L deveriam ter um comportamento semelhante, uma vez que, o teor de ferro somado ao teor de cromo é semelhante (81,4% e 84,8% aços F138 e 316L, respectivamente), o mesmo se passando com os aços 254 e ISO (74,7% e 72,6 aços 254 e ISO, respectivamente). No entanto, a semelhança referida não foi observada, em todas as concentrações de albumina estudadas, pelo menos no potencial de corrosão, podendo sugerir-se que as forças eletrostáticas não governam totalmente a adsorção da albumina, o que está de acordo com o sugerido por Anzai [61] para superfícies de ouro revestidas por monocamadas de tiol. Por outro lado, foi sugerido por alguns autores que a albumina forma complexos estáveis com os metais de transição constituintes dos aços inoxidáveis [40, 44-52, 85]. Analisando as quatro ligas metálicas, torna-se difícil atribuir maior ou menor afinidade da proteína para com os vários elementos metálicos constituintes da liga, dado que, cada liga possui teores diferentes de mais de um constituinte, ou seja, quando se passa de um aço para outro, o número de variáveis experimentais é superior a um. No entanto, é interessante notar que os aços 254 e F138, que contém maiores teores de níquel, são os que apresentam potenciais de corrosão mais negativos quando se eleva a concentração de proteína, o que pode sugerir a complexação do níquel pela proteína, uma vez que, de acordo com a literatura [30] o níquel se encontra no filme superficial nos aços que contém maiores teores de níquel e, de acordo com os resultados obtidos por XPS neste trabalho para o aço 254, o níquel existe no filme passivo na forma de óxido. O aço ISO que contém nióbio e um teor de manganês mais elevado (4,09% Nb) foi a liga que interagiu com a albumina em concentrações mais baixas. Por este motivo, pode se sugerir que um destes dois elementos, ou ambos aumentam a afinidade da superfície para adsorção da proteína. Em outras palavras, a albumina pode ter maior afinidade para uma superfície contendo manganês e/ou nióbio Curvas de polarização anódica potenciostática As curvas de polarização anódica potenciostática registradas para os quatro aços estudados, bem como os parâmetros obtidos a partir destas curvas e respectivas 67

4 representações gráficas encontram-se representadas na figura 3.20, tabela 3.20 e figura 3.21, respectivamente. À semelhança do observado no potencial de corrosão, o efeito da proteína nos potenciais de pite/elevação de corrente depende do substrato. j / ma.cm -2 4,0 3,0 2,0 1,0 NaCl 0,11 mol.l -1 + albumina 2mg L -1 + albumina 20mg L -1 + albumina 200mg L -1 + albumina 2.000mg L -1 + albumina mg L -1 UNS S31254 j / ma.cm -2 0,8 0,6 0,4 0,2 ISO , E / mv vs. ECS (a) 0, E / mv vs. ECS (b) 12,0 ASTM F138 16,0 14,0 AISI 316L 10,0 12,0 j / ma cm -2 8,0 6,0 4,0 2,0 j /ma cm -2 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 0, E / mv vs. ECS E / mv vs. ECS (c) (d) Figura Curvas de polarização anódica potenciostática dos aços inoxidáveis austeníticos (a) UNS S31254, (b) ISO , (c) ASTM F138 e (d) AISI 316L em meio de NaCl 0,11 mol L -1 sem e com diferentes concentrações de albumina. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. 68

5 Tabela Potenciais de pite ou de elevação de corrente (E pite ou E EC ) dos aços inoxidáveis austeníticos UNS S31254, ISO , ASTM F138 e AISI 316L em meio de NaCl 0,11 mol L -1 sem e com diferentes concentrações de albumina. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. Potenciais vs. ECS. Meio de NaCl 0,11mol L -1 + C albumina (mg L -1 ) E EC / mv Aços inoxidáveis austeníticos E pite / mv UNS S31254 ISO ASTM F138 AISI 316L ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 1 E EC / mv vs. ECS mg.l mg.l -1 UNS S mg.l mg.l -1 E EC / mv vs. ECS mg.l -1 0 mg.l mg.l mg.l -1 ISO mg.l mg.l Log(Conc. / mg.l -1 ) albumina Log(Conc. albumina / mg.l -1 ) (a) b) E pite / mv vs. ECS mg.l -1 2 mg.l mg.l mg.l Log(Conc. albumina / mg.l -1 ) ASTM F (c) (d) Figura Variação de E pite ou de E EC com a concentração de albumina em meio de NaCl 0,11 mol L -1 dos aços inoxidáveis austeníticos (a) UNS S31254, (b) ISO , (c) ASTM F138 e (d) AISI 316L. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. Nota: o ponto 0 foi introduzido como 0,5 para possibilitar a sua representação gráfica. E pite / mv vs. ECS mg.l -1 0 mg.l mg.l mg.l -1 Log(Conc. albumina / mg.l -1 ) AISI 316L 69

6 A albumina existente no meio eletrolítico nas concentrações de 2 mg L -1 e 20 mg L -1 induz o mesmo tipo de variação nos potenciais de elevação de corrente dos aços que contém maiores teores de níquel (254 e F138): os potenciais de pite e de elevação de corrente dos aços F138 e 254, respectivamente, são deslocados para valores menos positivos na presença de BSA 2 mg L -1, quando comparados com o meio sem proteína, embora no aço 254 a alteração seja pouco significativa, e para valores mais positivos quando a concentração de proteína em solução é aumentada para 20 mg L -1. Nesta ultima concentração o valor de E pite do aço F138 se torna comparável ao obtido no meio sem albumina, enquanto no aço 254 o valor correspondente (E EC ) se torna 40 mv mais positivo, sugerindo um aumento da estabilidade desta liga promovido pela albumina. Na concentração de 200 mg L -1 a albumina não altera o comportamento eletroquímico do aço F138, contrariamente ao aço 254 onde o E EC se torna menos positivo, atingindo o valor mais baixo registrado na gama de concentrações estudada para este aço (de 2 mg L -1 até mg L -1 ). Acima de 200 mg L -1 o potencial de elevação de corrente exibe a tendência de se tornar mais positivo. No entanto, a mg L -1 o aumento é pouco significativo encontrando-se dentro do erro experimental, enquanto que na concentração mais alta estudada o E EC se torna comparável ao obtido na concentração de albumina de 20 mg L -1. Contudo este efeito pode ser conseqüência do aumento do ph do meio, uma vez que, como já foi referido, nesta ultima concentração se verificou que a albumina eleva o valor do ph do meio de ph = 6 para ph = 7. O comportamento eletroquímico do aço ISO , no que se refere ao valor de E EC, não parece ser afetado pela presença de albumina em solução em toda a gama de concentrações estudada para este aço (de 2 mg L -1 a mg L -1 ). No caso do aço AISI 316L o potencial de pite é deslocado para valores mais positivos com o aumento da concentração de proteína sugerindo que a albumina atua como um inibidor. As densidades de corrente de passivação (tabelas de 3.21 a 3.24), embora o erro experimental seja elevado, mostram uma tendência diferente de aumentar (ISO) ou ficar independente da concentração da proteína (254, F138 e 316L), em função do aço estudado, com exceção da concentração de 20 mg L -1, onde nos aços 254, F138 e 316L 70

7 este parâmetro apresenta valores mais baixos, sugerindo que nesta concentração a albumina torna o filme passivo mais protetor. Tabela Valores de densidade de corrente de passivação medidos em três pontos das curvas de polarização anódica potenciostática do aço inoxidável austenítico UNS S31254 em meio de NaCl 0,11 mol L -1 sem e com diferentes concentrações de albumina. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. n = 3. Potenciais vs. ECS. Meio de NaCl 0,11mol L -1 + C albumina (mg L -1 ) j / ma cm -2 (região de passivação) 200 mv 400 mv 600 mv 0 1,5 ± 0,0 2,1 ± 0,1 3,7 ± 0,0 2 1,6 ± 0,3 1,7 ± 0,1 2,1 ± 0,2 20 1,2 ± 0,1 1,3 ± 0,2 2,5 ± 0, ,3 ± 0,1 1,6 ± 0,2 2,5 ± 0, ,4 ± 0,8 2,4 ± 0,1 3,7 ± 0, ,0 ± 0,1 1,1 ± 0,2 2,1 ± 0,8 Tabela Valores de densidade de corrente de passivação medidos em três pontos das curvas de polarização anódica potenciostática do aço inoxidável austenítico ISO em meio de NaCl 0,11 mol L -1 sem e com diferentes concentrações de albumina. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. n = 3. Potenciais vs. ECS. Meio de NaCl j / ma cm -2 (região de passivação) 0,11mol L -1 + C albumina (mg L -1 ) 200 mv 400 mv 600 mv 0 2,0 ± 0,2 3,3 ± 0,2 4,8 ± 0,1 2 2,4 ± 0,4 3,1 ± 0,1 4,8 ± 0,3 20 2,5 ± 0,6 4,2 ± 0,2 5,0 ± 0, ,5 ± 0,4 6,1 ± 0,4 6,8 ± 0, ,5 ± 0, 4 6,1 ± 0,4 7,6 ± 1,0 Tabela Valores de densidade de corrente de passivação medidos em três pontos das curvas de polarização anódica potenciostática do aço inoxidável austenítico ASTM F138 em meio de NaCl 0,11 mol L -1 sem e com diferentes concentrações de albumina. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. n = 3. Potenciais vs. ECS. Meio de NaCl 0,11mol L -1 + C albumina (mg L -1 ) j / ma cm -2 (região de passivação) 0 50 mv 100 mv 0 0,0 ± 0,0 1, 5 ± 0,1 0,4 ± 0,3 2 2,4 ± 1,3 2,0 ± 0,8 2,2 ± 0,2 20 1,7 ± 1,6 1,0 ± 0,6 0,9 ± 0, ,1 ± 0,2 2,1 ± 0,8 2,4 ± 0,6 71

8 Tabela Valores de densidade de corrente de passivação medidos em três pontos das curvas de polarização anódica potenciostática do aço inoxidável austenítico AISI 316L em meio de NaCl 0,11 mol L -1 sem e com diferentes concentrações de albumina. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. n = 3. Potenciais vs. ECS. Meio de NaCl 0,11mol L -1 + C albumina (mg L -1 ) j / ma cm -2 (região de passivação) 0 50 mv 100 mv 0 1,1 ± 0,5 0,0 ± 0,0 5,7 ± 1,4 2 1,1 ± 0,4 3,2 ± 0,8 3,2 ± 1,2 20 0,0 ± 0,0 0,4 ± 0,2 10 ± 0, ,3 ± 0,4 1,3 ± 0,1 1,8 ± 0,5 Como foi visto, a albumina exerce um efeito semelhante nos potenciais de elevação da corrente dos aços 254 e F138 quando se encontra no meio eletrolítico em concentrações 20 mg L -1. Na discussão feita para o E corr, essa semelhança foi atribuída à complexação do níquel pela albumina em virtude de ambas as ligas conterem teores de níquel elevados quando comparadas com os aços ISO e 316L. No entanto, o comportamento eletroquímico das duas ligas é distinto, ou seja, os fenômenos que ocorrem durante a varredura anódica de potencial são diferentes. Pode sugerir-se que o deslocamento do E EC é menos pronunciado no aço 254 quando comparado com o aço F138 na concentração de albumina de 2 mg L -1 provavelmente devido à presença de molibdato no filme passivo e nas vizinhanças do eletrodo da primeira liga, uma vez que, esta contém um teor de molibdênio mais elevado (2,08% e 6,26% aços F , respectivamente). Este comportamento pode ser conseqüência da competição entre a adsorção dos íons molibdato e a adsorção das moléculas de proteína carregadas negativamente. Por este motivo, até a concentração de albumina 20 mg L -1 a superfície do aço pode ficar apenas parcialmente coberta pela proteína, e, portanto pouca ou nenhuma alteração é detectada nos parâmetros E corr e E EC, respectivamente. A 20 mg L -1 o molibdênio não pode mais competir com a proteína que se encontra em grande quantidade em solução e a superfície pode encontrar-se totalmente, ou quase totalmente coberta por um filme de proteína, começando a formar complexos com os metais de transição constituintes do aço originando um filme na superfície da liga com características aparentemente protetoras. Acima de 20 mg L -1 a formação de complexos albumina - níquel se pode dar em maior escala, promovendo eventualmente a dissolução do filme 72

9 passivo. Pode ainda colocar-se a hipótese de a adsorção da albumina se tornar mais fraca a concentrações mais altas, em virtude de modificações estruturais na interfase, como sugerido por Wassel [41]. Exceção observada na concentração de mg L -1, que se pode dever ao aumento do ph do meio e/ou alterações conformacionais das moléculas de proteína adsorvidas, uma vez que, como foi referido no capítulo 1 (revisão bibliográfica), a albumina pode enovelar, desenovelar, denaturar na superfície metálica (quebra das ligações peptídicas) de forma a alojar mais proteína na superfície, pode ainda adsorver em multicamada, ou monocamada compacta formando uma barreira aniônica, que protege a superfície. É importante relembrar que na literatura não existe concordância sobre a forma como a albumina se distribui na superfície, o que ilustra ainda um fraco conhecimento nesta área, em virtude do grande número de variáveis experimentais. Em resumo, os resultados apresentados neste trabalho ainda não permitem interpretar o comportamento da proteína Caracterização das superfícies por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia por dispersão de energia (EDS) As micrografias obtidas para os aços, ASTM F138, ISO e UNS S31254 atacados eletroquimicamente em meio de NaCl 0,11 mol L -1 contendo albumina na concentração de 2 mg L -1 são apresentadas nas figuras 3.22 e 3.23 (ASTM F138), 3.24, 3.25 e 3.26 (ISO ) e 3.27, 3.28 e 3.29 (UNS S31254), respectivamente. As figuras 3.22 e 3.23 (aço ASTM F138) mostram, uma superfície com pites aparentemente mais acentuados do que os observados no meio sem albumina (ver figura 3.2), sugerindo que a proteína promove um ataque mais efetivo neste aço. O aço ISO (figuras 3.24 a 3.26) apresenta uma superfície semelhante à observada no meio sem proteína (ver figura 3.3), mostrando que o aço referido não sofre corrosão localizada mesmo na presença de albumina. Na micrografia do aço 254 (figura 3.27) pode ver-se uma inclusão atacada nas bordas e duas regiões escurecidas. A ampliação de uma dessas regiões de 500x e 2000x (figuras 3.28 e 3.29) revela que correspondem a buracos, visivelme nte atacados nas bordas, possivelmente originadas pela dissolução de inclusões. Estas imagens sugerem um ataque mais pronunciado do que o observado no meio sem 73

10 albumina (ver figura 3.4), e que o ataque também se dá preferencialmente no entorno das inclusões. Figura Análise por elétrons secundários da superfície do aço ASTM F138 previamente submetida a um potencial situado 50 mv acima do potencial de pite durante 15 minutos em meio de NaCl 0,11mol L -1 + albumina 2 mg L -1. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. Ampliação de 100x. (a) (b) Figura MEV da superfície do aço ASTM F138 previamente submetida a um potencial situado 50 mv acima do potencial de pite durante 15 minutos em meio de NaCl 0,11mol L -1 + albumina 2 mg L -1. (a) elétrons secundários e (b) elétrons retroespalhados. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. Ampliação de 500x. 74

11 Figura Análise por elétrons secundários da superfície do aço ISO previamente submetida a um potencial situado 50 mv acima do potencial de elevação da corrente durante 15 minutos em meio de NaCl 0,11mol L -1 + albumina 2 mg L -1. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. Ampliação de 100x. Figura Análise por elétrons secundários da superfície do aço ISO previamente submetida a um potencial situado 50 mv acima do potencial de elevação da corrente durante 15 minutos em meio de NaCl 0,11mol L -1 + albumina 2 mg L -1. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. Ampliação de 500x. 75

12 (a) (b) Figura MEV da superfície do aço ISO previamente submetida a um potencial situado 50 mv acima do potencial de elevação da corrente durante 15 minutos em meio de NaCl 0,11mol L -1 + albumina 2 mg L -1. (a) elétrons secundários e (b) elétrons retroespalhados. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. Ampliação de 3500x. Figura Análise por elétrons secundários da superfície do aço UNS S31254 previamente submetida a um potencial situado 50 mv acima do potencial de elevação da corrente durante 15 minutos em meio de NaCl 0,11mol L -1 + albumina 2 mg L -1. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. Ampliação de 100x. 76

13 Figura Análise por elétrons secundários da superfície do aço UNS S31254 previamente submetida a um potencial situado 50 mv acima do potencial de elevação da corrente durante 15 minutos em meio de NaCl 0,11mol L -1 + albumina 2 mg L -1. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. Ampliação de 500x. (a) (b) Figura MEV da superfície do aço UNS S31254 previamente submetida a um potencial situado 50 mv acima do potencial de elevação da corrente durante 15 minutos em meio de NaCl 0,11mol L -1 + albumina 2 mg L -1. (a) elétrons secundários e (b) elétrons retroespalhados. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. Ampliação de 2000x. As regiões analisadas por EDS para os três aços, mostradas nas figuras 3.23, 3.26 e 3.29, representações (a) e (b) elétrons secundários e retroespalhados, respectivamente, são apresentadas nas tabelas 3.25 a

14 No aço F138 destaca-se maior quantidade de cloreto e oxigênio existente na região 4 (tabela 3.25), sugerindo a presença de produtos de corrosão no contorno da região atacada, que, tal como referido anteriormente, provavelmente vieram à superfície após o vácuo. A presença de mais oxigênio na região 2 (na borda do ataque), comparada com a região 1 (superfície metálica) sugere que o pite se inicia no contorno das inclusões de óxido. A composição da superfície do aço ISO (tabela 3.26) é semelhante à observada no meio sem albumina, ou seja, com maior teor de manganês cromo e oxigênio nas inclusões. A tabela 3.27 corresponde a uma tentativa de mostrar os óxidos mais prováveis de ocorrer na região 2. Destacam-se os óxidos de manganês e cromo. Pode ver-se que não se dá corrosão localizada no entorno das inclusões. A superfície do aço 254 (tabela 3.28) contém maiores teores de oxigênio e de cloreto quando comparada com a superfície imersa no meio sem albumina (ver tabela 3.7, capítulo 3), sugerindo um ataque mais agressivo. Tabela Análise semiquantitativa (EDS) da superfície do aço ASTM F138 atacada eletroquimicamente (50 mv acima do potencial de elevação da corrente) em meio de NaCl 0,11mol L -1 + albumina 2 mg L -1. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. Composição nominal (%massa) Composição das regiões analisadas (% massa) Fe Cr Ni Mo Mn Si S O Cl 63,86 17,60 14,20 2,08 1,94 0,26 0,002 1 (matriz) 59,72 17,88 12,88 1,97 1,96 0,21 5,03 2(borda do pite) 56,93 17,64 12,88 1,79 1,84 0,33 7,63 0,59 3 (pite) 62,17 19,04 12,44 1,46 2,23 0,27 2,03 4 (entorno do pite) 50,52 18,56 11,30 1,77 1,83 0,32 11,26 4,03 Tabela Análise semiquantitativa (EDS) da superfície do aço ISO atacada eletroquimicamente (50 mv acima do potencial de elevação da corrente) em meio de NaCl 0,11mol L -1 + albumina 2 mg L -1. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. Composição nominal Fe Cr Ni Mo Mn Si Nb S O Al (%massa) 51,91 20,70 9,94 2,50 4,09 0,33 0,28 1 (matriz) 59,19 20,76 10,11 2,69 4,58 0,22 2,83 Composição 2 (inclusão) 5,82 39,84 0,46 22,26 28,6 0,74 das regiões analisadas 3 (inclusão) 33,98 31,54 3,99 18,01 0,21 1,62 0,42 7,63 0,22 (% massa) 4 (matriz 56,79 19,62 9,22 2,60 5,03 0,23 6,12 escurecida) 78

15 Tabela Óxidos detectados na região 3 da superfície do aço ISO atacada eletroquimicamente (50 mv acima do potencial de elevação da corrente) em meio de NaCl 0,11mol L -1 + albumina 2 mg L -1. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. Valores obtidos pelo software QWIN da Leica. Teor em percentagem de massa de óxidos na região 3 óxidos Al 2 O 3 Cr 2 O 3 MnO FeO NiO TiO 2 V 2 O 5 Região 3 1,39 58,23 28,74 7,49 0,59 0,72 0,90 Tabela Análise semi-quantitativa (EDS) da superfície do aço UNS S31254 atacada eletroquimicamente (50 mv acima do potencial de elevação da corrente) em meio de NaCl 0,11mol L -1 + albumina 2 mg L -1. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. Composição nominal Fe Cr Ni Mo Mn Si S O Cl Al Ca (%massa) 55,31 19,40 17,70 6,26 0,56 0,52 0,004 Composição das regiões analisadas (% massa) 1 (matriz) 51,89 18,03 14,24 6,38 0,57 0,40 8,04 0,19 2 (borda da reentrância) 3 (reentrância) 4 (matriz atacada) 51,34 18,03 14,24 5,89 0,53 0,37 8,82 0,21 0,17 53,62 19,30 12,94 5,89 0,94 0,29 7,10 0,24 47,44 14,66 10,76 6,83 0,42 0,39 17,24 0,58 Como referido na revisão bibliográfica, a albumina tem como função no plasma sanguíneo o transporte de íons Fe 3+ e Ca 2+, entre outros. Por este motivo seria plausível sugerir que a proteína em contacto com ligas metálicas contendo estes elementos poderia acelerar a corrosão dessas ligas. No entanto, para que a proteína mantenha a sua função, é necessário que a macromolécula se encontre na sua estrutura nativa (conformação original, com estrutura terciária intacta e centro ativo disponível) e em condições fisiológicas. Na revisão bibliográfica foi visto que não existe concordância sobre se a proteína denatura ou não na superfície metálica e se mantém a sua conformação original, sendo plausível que, mesmo que não ocorra denaturação haja deformação da sua estrutura terciária, impedindo portanto que a albumina mantenha a sua função. Não obstante, alguns autores observaram que os locais preferidos de adsorção da albumina são os que contêm cátions como sódio, magnésio e cálcio [63, 64]. Segundo Wassel [41] a interação de proteínas é estabelecida através dos grupos carboxilatos da macromolécula que se ligam ao cálcio. Ou seja, apesar de a proteína não manter a sua função original, continua a apresentar maior afinidade para com estes íons. Os resultados obtidos por esta técnica sugerem que a ação da BSA parece ocorrer, em maior extensão, nas inclusões de cálcio e 79

16 alumínio, o que está de acordo com a literatura citada. Por este motivo, se depreende que a resistência à corrosão do aço 254 em meio contendo albumina é comprometida em maior extensão quando comparada com o meio sem proteína, devido à presença das inclusões, mostrando a necessidade de eliminar estes defeitos no caso de o aço 254 ser empregado em implantes. Estes resultados parecem confirmar os resultados obtidos pelas técnicas voltamétricas, onde foi sugerido que a presença de albumina no meio eletrolítico na concentração de 2 mg L -1 torna os aços ASTM F138 e UNS S31254 mais suscetíveis à corrosão, elevando a extensão do pite na primeira liga, e promovendo a corrosão localizada no entorno das inclusões da segunda. O comportamento eletroquímico do aço ISO , não parece ser influenciado pela presença de proteína, apesar de o E corr ter sido deslocado para valores mais negativos. Com o intuito de verificar a influência da concentração de albumina na corrosão localizada do aço 254 foram feitas análises por MEV/EDS após ataque eletroquímico nas concentrações de 20 e mg L -1. As micrografias apresentadas nas figuras de 3.30 a 3.33, referem-se às superfícies do aço 254 atacadas eletroquimicamente em meio de albumina 20 mg L -1, e mg L -1, respectivamente. Pode ver-se que não há alteração significativa no aspecto da superfície nas amostras atacadas nos dois meios referidos. As dimensões dos buracos parecem estar relacionadas com o tamanho das inclusões, não sugerindo, portanto um ataque mais ou menos agressivo. Entretanto as ampliações das imagens das superfícies referidas nas regiões atacadas em meio de albumina 20 mg L -1 (figuras 3.34a, 3.34b e 3.34c) mostram na mesma superfície um buraco, uma inclusão aparentemente quase a abandonar a superfície e outra inclusão pouco atacada, respectivamente. O buraco não revela as ranhuras detectadas no entorno do buraco mostrado na figura 3.29, correspondente à amostra atacada eletroquimicamente no meio contendo albumina na concentração de 2 mg L -1. Podem colocar-se duas hipóteses: a albumina em concentrações mais baixas aumenta a extensão da corrosão localizada; ou a imagem apresentada na figura 4.11 corresponde a um ataque metalográfico, não sendo conseqüência da presença de proteína no eletrólito. 80

17 Figura Análise por elétrons secundários da superfície do aço UNS S31254 previamente submetida a um potencial situado 50 mv acima do potencial de elevação da corrente durante 15 minutos em meio de NaCl 0,11mol L -1 + albumina 20 mg L -1. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. Ampliação de 100x. Figura Análise por elétrons secundários da superfície do aço UNS S31254 previamente submetida a um potencial situado 50 mv acima do potencial de elevação da corrente durante 15 minutos em meio de NaCl 0,11mol L -1 + albumina 20 mg L -1. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. Ampliação de 500x. 81

18 Figura Análise por elétrons secundários da superfície do aço UNS S31254 previamente submetida a um potencial situado 50 mv acima do potencial de elevação da corrente durante 15 minutos em meio de NaCl 0,11mol L -1 + albumina mg L -1. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. Ampliação de 100x. Figura Análise por elétrons secundários da superfície do aço UNS S31254 previamente submetida a um potencial situado 50 mv acima do potencial de elevação da corrente durante 15 minutos em meio de NaCl 0,11mol L -1 + albumina mg L -1. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. Ampliação de 500x. 82

19 (a) (b) (c) Figura Análise por elétrons secundários da superfície do aço UNS S31254 previamente submetida a um potencial situado 50 mv acima do potencial de elevação da corrente durante 15 minutos em meio de NaCl 0,11mol L -1 + albumina (a), (b) e (c) 20 mg L -1 Ampliação de 2000x. θ = (36,0 ± 0,5)ºC. A tabela 3.29 corresponde à análise por EDS feita para o aço 254 atacado eletroquimicamente em meio de NaCl 0,11 mol L -1 sem e com várias concentrações de albumina (2, 20 e 200 mg L -1 ), numa tentativa de verificar se a proteína exerce algum efeito na composição química da superfície. Destaca-se o maior teor de oxigênio e cloreto na matriz da superfície previamente exposta ao meio contendo albumina na concentração de 2 mg L -1, sugerindo uma superfície mais atacada, i.e., um meio mais agressivo. Numa tentativa de determinar a composição do filme de óxido existente por cima das inclusões, os teores relativos dos constituintes principais do aço (Fe, Cr, Ni, Mo e Mn) foram calculados fazendo a sua soma igual a 100% (tabela 3.29 em vermelho). Pode 83

20 ver-se que, mesmo no meio sem proteína o teor de molibdênio é significativamente superior ao da matriz, sugerindo maior teor deste elemento nas inclusões. Esta hipótese está de acordo com Ilevbare e Bernstein [31] que sugeriram que o molibdênio se deposita no filme de óxido superficial situado acima das inclusões. O teor de molibdênio aumenta significativamente nos meios contendo albumina, apontando para alguma interação da albumina com o molibdênio. Tabela Análise semiquantitativa (EDS) da superfície do aço UNS S31254 atacada eletroquimicamente em meio de NaCl 0,11mol L -1 sem e com albumina 2, 20 e mg L -1. Composição nominal Fe Cr Ni Mo Mn Si S O Cl Al Ca (%massa) 55,31 19,40 17,70 6,26 0,56 0,52 0,004 NaCl 0,11 mol.l -1 Matriz 52,39 19,82 16,27 8,10 0,60 0,52 0,03 1,94 0,09 0,15 0,03 Buracos 51,75 24,82 12,63 5,07 1,66 0,28 0,18 3,12 0,09 0,19 0,03 Inclusões 1,14 0,52 0,26 0,51 0,13 2,58 0,45 44,55 0,03 35,79 13,73 Inclusões * 44,53 20,31 9,45 19,9 5,08 + albumina 2 mg L -1 Matriz 51,89 18,03 14,24 6,38 0,57 0,40 8,04 0,19 Composição das regiões analisadas (% massa) Buraco 53,62 19,30 12,94 5,89 0,94 0,29 7,10 0,24 Inclusões + albumina 20 mg L -1 Matriz 54,75 20,57 17,36 7,03 0,65 0,63 Buracos 55,99 19,81 17,02 6,35 0,27 0,48 Inclusões 0,51 0,49 0,15 1,48 0,11 2,21 45,63 40,30 14,58 Inclusões * 18,61 17,88 5,47 54,01 4,01 + albumina mg L -1 Matriz 52,73 20,05 16,41 7,84 0,63 0,62 0,05 1,39 0,03 0,14 0,02 Buracos 52,88 21,91 13,65 5,02 1,51 0,36 0,21 3,56 0,05 0,8 0,05 Inclusões 0,49 0,22 0,10 0,39 0,09 2,13 0,45 45,53 0,02 36,95 13,35 Inclusões * 37,98 17,05 7,75 30,23 6,98 teores calculados considerando apenas os constituintes principais do aço (Fé, Cr, Ni, Mo e Mn) Comparação do comportamento dos aços UNS S31254 e ISO por espectroscopia de impedância eletroquímica Como foi visto, através das técnicas voltamétricas apresentadas anteriormente, o comportamento eletroquímico do aço UNS S31254 é qualitativamente semelhante ao do aço ISO , embora a primeira liga apresente potencial de elevação de corrente 84

21 150 mv menos positivo do que a segunda. Com o intuito de melhor entender a diferença entre as duas interfases, o aço ISO foi estudado por espectroscopia de impedância eletroquímica a vários potenciais compreendidos entre o potencial estacionário e o potencial de transpassivação no meio contendo albumina na concentração de 200 mg L Aço ISO Os diagramas de impedância do aço ISO encontram-se representados na figura Para efeito de comparação, foram introduzidos os dados da liga em meio sem proteína no potencial estacionário [86]. A diferença observada entre os diagramas de impedância obtidos no E corr nos meios sem e com albumina, podem ser atribuídas a terem sido utilizadas superfícies diferentes, i.e., o eletrodo foi removido da solução e submetido ao tratamento superficial. Pode ver-se que, à semelhança do aço 254, ambas as componentes, real e imaginária da impedância aumentam relativamente ao potencial de corrosão, quando se aplica o potencial de 400 mv vs. ECS indicando que o filme passivo estabiliza pelo aumento do potencial. Continuando a aumentar o potencial, a componente imaginária cai mais rapidamente do que a componente real, aumentando a tendência à formação de semicírculo. Quando o E dc = 1000 mv a componente real cai de uma ordem de grandeza, e, apesar de a resistência ser elevada (1,7 x 10 4 Ω cm 2 ), a forma dos diagramas de impedância correspondentes é típica de um sistema ativo. Neste potencial já deve estar a ocorrer formação de oxigênio. 85

22 8,0x10 4 Branco E corr -Z im /Ω cm 2 6,0x10 4 4,0x10 4 2,0x10 4 0,0 E corr 1000 mv 800 mv 400 mv ,0 2,0x10 4 4,0x10 4 6,0x10 4 8,0x10 4 Z Real /Ω cm 2 a) Log( Z / Ω cm 2 ) Branco, E corr log(f / Hz) b) Figura Diagramas de impedância na forma de (a) Nyquist e (b) Bode registrados a E = -140 mv (E corr ), (400, 800 e 1000) mv correspondentes ao aço ISO em meio de NaCl 0,11 mol L -1 + albumina 200 mg L -1. Eac = 5 mv (pp) vs. ECS. θ = (36,0 ± 0,5) ºC. Foi feita a simulação dos dados correspondentes ao aço ISO utilizando o programa Boukamp. O circuito equivalente que melhor se adaptou ao meio sem albumina no E corr é igual ao correspondente para o aço 254, contendo o elemento de fase constante ligado em paralelo com a resistência do filme (figura 3.36a). O circuito equivalente que melhor se adaptou aos resultados experimentais no meio contendo albumina, foi sempre o mesmo em todos os potenciais, figura 3.36b. Este circuito sugere a existência de dois filmes. Os parâmetros de ajuste das simulações são mostrados na tabela Φ / o 86

23 (a) (b) Figura Circuitos equivalentes utilizados para ajuste dos dados de impedância para o aço ISO em meio de NaCl 0,11 mol L -1 (a) sem albumina, Ecorr e (b) com albumina 200 mg L -1, a todos os potenciais. Tabela Parâmetros obtidos a partir da simulação dos dados experimentais aos circuitos equivalentes propostos para o aço ISO em meio de NaCl 0,11 mol L -1 sem e com albumina 200 mg L -1. Potenciais vs. ECS. ISO CPE 1 CPE 2 E / mv R 0 /Wcm 2 R F /kwcm 2 R 2 / Wcm 2 Y0/mFcm -2 n Y0/mFcm -2 n c 2 Sem albumina Com albumina Ecorr ,2 0,90 8 x 10-4 Ecorr ,0 0, ,3 0,87 4 x ,3 0, ,2 0,86 7 x , ,3 0,82 8 x ,6 0, ,9 0,88 6 x 10-4 Os diagramas de Bode contendo os pontos experimentais e os ajustes são mostrados na figura Estes resultados sugerem que a albumina se deposita na superfície da liga ISO , mas não altera as características do filme passivo. 87

24 Sem albumina Branco, E corr 90 Log( Z / Ω cm 2 ) Φ / o Pontos experimentais Simulação log(f / Hz) Com albumina 10 5 Ecorr E = 400 mv Log( Z / Ω cm 2 ) Φ / o Log( Z / Ω cm 2 ) Φ / o log(f / Hz) log(f / Hz) E = 800 mv E = 1000 mv Log( Z / Ω cm 2 ) log(f / Hz) Φ / o Log( Z / Ω cm 2 ) log(f / Hz) Φ / o Figura Diagramas de Bode correspondentes aos dados experimentais e respectivo ajuste, do aço ISO em meio de NaCl 0,11 mol L -1 sem e com albumina 200 mg L -1 registrados a vários potenciais. Eac = 5 mv (pp) vs. ECS. θ = (36,0 ± 0,5) ºC. 88

25 Aço UNS S31254 vs. Aço ISO Para efeito de comparação, os diagramas de impedância obtidos para os aços UNS S31254 e ISO nos potenciais de E corr, 400 mv, 800 mv e 1000 mv foram sobrepostos (figuras 3.38 e 3.39). Na tabela 3.31 encontram-se representados os valores de Z Real e Z im, para os dois aços nos vários potenciais. Em ambos os aços se nota uma variação semelhante da impedância com o potencial; as duas componentes da impedância aumentam quando se passa do E corr para 400 mv, diminuem quando se passa de 400 mv para 800 mv, sendo a diminuição mais significativa no Z Real. De 800 mv para 1000 mv Z Real e Z im diminuem de uma ordem de grandeza. As duas componentes da impedância, real e imaginária são superiores, no aço ISO em todos os potenciais. Analisando a forma dos diagramas de Nyquist no potencial E = 800 mv, constata-se que o aço ISO começa a descrever um arco, enquanto no aço UNS S41254 essa tendência é pouco pronunciada. Isto significa que no aço 254 a 800 mv a componente imaginária exerce um peso maior do que no aço ISO. A interpretação dos dados de impedância, para este tipo de situações ainda suscita algumas dúvidas: qual dos dois sistemas é mais resistente à corrosão no potencial E = 800 mv? A análise dos diagramas de Bode na forma de ângulo de fase, correspondentes a E = 800 mv, indica que o sistema mais resistente é o correspondente ao aço ISO porque o ângulo de fase máximo é maior. Quando E = 1000 mv vê-se claramente, a partir do diagrama de Nyquist que a liga ISO é aquela que tem maior resistência à corrosão. 89

26 Sem albumina -Z im / Ω cm 2 8,0x10 4 6,0x10 4 4,0x10 4 2,0x10 4 0,0 ISO UNS S ,0 2,0x10 4 4,0x10 4 6,0x10 4 8,0x10 4 Z Real / Ω cm 2 Log( Z / Ω cm 2 ) (a) Com albumina Ecorr log(f / Hz) (b) Φ / o 6,0x Ecorr Z im / Ω cm 2 4,0x10 4 2,0x10 4 Branco albumina Log( Z / Ω cm 2 ) Φ / o 0, ,0 2,0x10 4 4,0x10 4 6,0x Z Real / Ω cm 2 log(f / Hz) (a) (b) -Z im / Ω cm 2 8,0x10 4 6,0x10 4 4,0x10 4 2,0x10 4 Log( Z / Ω cm 2 ) E = 400 mv Φ / o 0,0 0,0 2,0x10 4 4,0x10 4 6,0x10 4 8,0x10 4 Z Real / Ω cm log(f / Hz) (a) (b) Figura Diagramas de impedância na forma de (a) Nyquist e (b) Bode registados a E = E corr, E = 400 mv correspondentes aos aços UNS S31254 e ISO em meio de NaCl 0,11 mol L -1 sem e com albumina 200 mg L -1. Eac = 5 mv (pp) vs. ECS. θ = (36,0 ± 0,5) ºC. 90

27 5x10 4 E = 800 mv -Z im / Ω cm 2 4x10 4 3x10 4 2x10 4 1x ISO UNS S31254 Log( Z / Ω cm 2 ) Φ / o 0 1x10 4 2x10 4 3x10 4 4x10 4 5x10 4 Z Real / Ω cm log(f / Hz) 2x10 4 E = 1000 mv 80 -Z im / Ω cm 2 1x Log( Z / Ω cm 2 ) Φ / o 0 1x10 4 2x Z Real / Ω cm 2 log(f / Hz) Figura Diagramas de impedância na forma de (a) Nyquist e (b) Bode registados a E = (800 e 1000) mv correspondentes aos aços UNS S31254 e ISO em meio de NaCl 0,11 mol L -1 + albumina 200 mg L -1. Eac = 5 mv (pp) vs. ECS. θ = (36,0 ± 0,5) ºC. Tabela Valores das componentes imaginária (Z im ) e real (Z Real ) da impedância correspondentes à freqüência mais baixa aplicada (0,05 Hz) em meio de NaCl 0,11 mol L -1 + albumina 200 mg L -1 dos aços UNS S31254 e ISO θ = (36,0 ± 0,5) ºC. Potenciais vs. ECS. E dc / mv Z im (f = 0,05Hz)/kΩcm 2 Z Real (f = 0,05Hz)/kΩcm 2 UNS S31254 ISO UNS S31254 ISO E corr 14,2 49,8 7,3 25, ,8 69,2 14,2 49, ,4 34,4 9,0 41, ,1 3,5 0,7 17,5 91

28 Os circuitos equivalentes utilizados para ajuste dos dados dos aços UNS S31254 e ISO em meio de NaCl 0,11 mol L -1 no E corr e em meio de albumina 200 mg L -1, em todos os potenciais, são mostrados nas figuras 3.40 e 3.41, respectivamente. Os parâmetros de ajuste respectivos são apresentados na tabela E corr E corr, E = 400 mv E = 800 mv Figura Circuitos equivalentes utilizados para ajuste dos dados de impedância do aço UNS S31254 em NaCl 0,11 mol L -1 sem e com albumina no E corr e com albumina 200 mg L -1, a E = 400 mv e E = 800 mv. Os circuitos equivalentes correspondentes ao meio sem albumina estão representados em preto e os correspondentes aos meios de albumina estão representados em azul. E corr E corr, E = 200 mv E = 800 mv Figura Circuitos equivalentes utilizados para ajuste dos dados de impedância do aço ISO em NaCl 0,11 mol L -1 sem e com albumina no E corr e com albumina 200 mg L -1, a E = 400 mv e E = 800 mv. Os circuitos equivalentes correspondentes ao meio sem albumina estão representados a preto e os correspondentes aos meios de albumina estão representados a azul. 92

29 Tabela Parâmetros obtidos a partir da simulação dos dados experimentais aos circuitos equivalentes propostos para os aços UNS S31254 e ISO em meio de NaCl 0,11 mol L -1 sem e com albumina 200 mg L -1. Potenciais vs. ECS. 254 CPE 1 CPE 2 E / mv R0/Wcm 2 RF/kWcm 2 R2/ Wcm 2 Y 0 /mfcm -2 n Y 0 /mfcm -2 n ZW c 2 E corr ,5 0,90 Sem albumina Com albumina 3 x 10-4 E corr ,5 0, ,4 1 5,1 x x ,2 0, ,6 1 1,9 x x ,0 0, ,2 x ,52 E corr ,2 0,90 ISO Sem albumina Com albumina liga com a albumina. Embora sejam dois aços inoxidáveis austeníticos, a sua composição 93 E corr ,0 0, ,3 0, ,3 0, ,2 0, , ,3 0,82 4 x x x x x 10-4 Nota: em virtude de as tabelas serem largas os capacitores utilizados no circuito equivalente do aço 254 em meio de albumina no E corr e a E = 400 mv foram introduzidos no CPE 2 com n = 1, e o mesmo se passando no aço ISO a E = 800 mv. No potencial estacionário correspondente ao meio sem albumina ambas as ligas são descritas pelo circuito equivalente mais simples que é normalmente utilizado para ajustar os dados de impedância de sistemas passivos. Nos meios contendo albumina foram utilizados circuitos equivalentes contendo um subcircuito, para ambas as ligas. Os modelos escolhidos para o aço 254 sugerem que nos meios contendo albumina existe a ocorrência de fenômenos difusivos, como indicado quer pelo elemento impedância de Warburg, quer pelo valor do declive do elemento de fase constante correspondente ao subcircuito. No caso do aço ISO os modelos sugerem a ausência deste tipo de fenômeno. Além disso, os valores do elemento de fase constante correspondentes ao circuito principal, do referido aço, são próximos dos esperados para a capacitância da interfase (dupla camada elétrica + filme). e o declive respectivo (n) é sempre próximo de 1. A necessidade de utilização de circuitos equivalentes diferentes para ajustar os dados experimentais das duas ligas sugere um mecanismo diferente de interação de cada

30 é diferente em relação ao níquel (17,70 % e 9,94 %, aços UNS S31254 e ISO , respectivamente) ao manganês (0,56 % 4,09 %, aços UNS S31254 e ISO , respectivamente) ao molibdênio (6,26 % e 2,50 %, aços UNS S31254 e ISO , respectivamente) e ao ferro (55,31 % e 51,91 %, aços UNS S31254 e ISO , respectivamente). O circuito equivalente encontrado para o aço 254 sugere um mecanismo dinâmico do filme de proteína, enquanto que o circuito equivalente sugerido para o aço ISO mostra claramente a existência de dois filmes estáticos. Estes dados apontam para uma maior interação da albumina com a primeira liga, com a albumina participando do filme superficial. É importante referir que no caso da liga ISO , o segundo filme não pode ser atribuído, a um filme de albumina, exceto no E corr, uma vez não foram apresentados neste trabalho resultados em meio sem albumina. Não obstante, pode sugerir-se que a albumina não é responsável por fenômenos de transporte de massa. O circuito equivalente utilizado para ajuste dos dados de impedância do aço 254 em meio de albumina 200 mg L -1 em todos os potenciais contém a componente difusiva, e de acordo com a discussão sobre mecanismo de passivação do 254, onde se sugeriu que ocorra a difusão dos íons molibdato da solução para o eletrodo, a proteína pode estar a competir com o molibdênio para formar um filme na superfície, ou pode estar a antecipar o processo de oxidação do molibdênio a molibdato, uma vez que, no meio sem albumina o circuito equivalente sugerido no E corr não contém a componente difusiva. Neste trabalho foi proposto que o molibdato forma um filme na superfície da liga, não se deve esquecer, no entanto, a semelhança entre o comportamento dos aços 254 e F 138 no tocante ao efeito da albumina nos potenciais de corrosão e de transpassivação. O aço F 138 contém um teor de molibdênio semelhante ao do ISO e um teor de níquel próximo ao do aço 254 (14,20 %), sugerindo também a participação do níquel na interação com a albumina, ou seja, o níquel também se deve encontrar na interfase, o que foi evidenciado por XPS anteriormente. 94