Evaluación mecánica y electroquímica de una placa de acero ...

51El Hombre y la Máquina No. 38 • Enero-Abril de 2012

Resumen

Se presenta la evaluación de una placa de acero 316 LVM retirada de un cuerpo humano, la cual corresponde a una lámina ortopédica que estuvo en funcionamiento durante doce meses. Una placa de acero 316 LVM sin previa utilización fue utilizada como material de referencia. Se evaluaron las propie-dades morfológicas y electroquímicas. El análisis de la morfología superficial se realizó mediante microscopía óptica para observar el deterioro generado por la exposición al medio agresivo. El desempeño electroquímico de los aceros se evaluó mediante la técnica de espectroscopía de impedancia electro-química (EIS) y curvas de polarización anódica, los resultados de las curvas de polarización y los diagramas de Nyquist indican que la placa retirada presenta un valor de corriente y velocidad de corrosión mayor con respecto al sistema de referencia.

Evaluación mecánica y electroquímica de una placa de acero 316-LVM previamente utilizada en el organismo humano

W. aperaDor1, 2

m. melGareJo3

c. ramírez –martin4

1 Departamento de Ingeniería Mecatrónica, Universidad Militar Nueva Granada, Carrera 11 No. 101-80, Fax:+57(1) 634 3200, Bogotá, Colombia.2 Escuela Colombiana de Ingeniería – Julio Garavito, AK.45 No.205-59 (Autopista Norte), +57(1) 668 3622, Bogotá, Colombia.3 Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Escuela de Ingeniería Metalúrgica. Tunja (Boyacá), Colombia4 Departamento de Física, Universidad de Boyacá, Carrera 2a Este No. 64-169, Tel: +57(8) 745 0000, Tunja (Boyacá), Colombia.Fecha de recepción: Agosto 30/11 • Fecha de aceptación: Marzo 30 /11

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Introducción

La utilización de biomateriales metálicos en implantes precisa de dos características im-portantes: la primera, que sean tolerados por el organismo y la segunda que tengan una muy buena resistencia a la corrosión [1]. Que un ma-terial sea compatible con los órganos y tejidos del cuerpo humano, no implica necesariamente que sea completamente inerte [2]. Al contrario, es probable que se requiera un cierto grado de interacción del material si se busca que su uso tenga resultados óptimos [3-4].

En la actualidad, de acuerdo con los requisi-tos clínicos, se necesita que el implante sea eficaz durante veinte años o más. Como consecuencia, existe un mayor énfasis en la conveniencia de evaluar los efectos sistémicos causados por los iones o moléculas una vez retirado el implante. Se ha determinado que ciertos iones o moléculas son transportados fuera de la zona del implante y no pueden ser excretados sino que se concentran en varios órganos. Un ejemplo es el ion Ni, pro-

ducido a partir de la corrosión de los implantes metálicos; estos iones se concentran en varios órganos, tales como el hígado, el pulmón, el bazo y los ganglios linfáticos, lo que produce una res-puesta inmune, siendo una forma de respuesta no biocompatible [5]. De mismo modo es importante evaluar la respuesta inflamatoria mediante el de-sarrollo de técnicas que permitan su evaluación de manera cuantitativa [6-7].

La biocompatibilidad es un proceso dinámico continuo, ya que la respuesta del cuerpo a los materiales sufre cambios con el paso del tiempo, además, los materiales también soportan cambios por procesos bien sea de corrosión o de fatiga [8].

La utilización de metales en implantes bio-médicos ortopédicos y odontológicos se basa fun-damentalmente en las solicitaciones mecánicas extremas a las que están sometidos en servicio [9-10]. Un implante metálico debería ser comple-tamente inerte en el cuerpo humano [11], pero los fluidos corporales son extremadamente hostiles a los materiales metálicos lo que produce efectos sobre los implantes y los tejidos circundantes [1].

Aunque los materiales metálicos poseen en su superficie una película protectora que es capaz de mantener los niveles de corrosión en valores ba-jos de toxicidad para los tejidos, estos materiales tienen la tendencia termodinámica a corroerse.

La capa superficial depende de la resistencia de las capas de pasivación a la ruptura y de la capacidad de repasivación de los materiales en 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 degrada-ción y/o desgaste no deseado en el organismo [12-14] [15].

El objetivo de este trabajo es evaluar el comportamiento de un acero 316LVM frente a fenómenos de corrosión después de haber sido retirado como implante, para medir su efectividad como biomaterial.

Detalles experimentales.Se seleccionó una placa ASTM 316-LVM

retirada de un cuerpo humano (ver Figura 1) la cual corresponde a una placa ortopédica utilizada como implante para la reconstrucción de un hueso fracturado, sus especificaciones son:

• Cantidad de agujeros: 7

• Longitud :84 mm

Palabras clave: Biocompatibilidad, biomateriales, acero 316 LVM, corrosión.

Abstract

It presents the evaluation of a 316 LVM with drawal plate steel of a human body, which corresponds to an orthopedic plate which was operate for 12 months. A 316 LVM steel plate without prior use was used as reference material. We evalu-ated the morphological and electrochemi-cal properties. The surface morphology analysis by light microscopy was performed by observing the damage generated by exposure to aggressive environment. The electrochemical performance of the steels was evaluated by the technique of electro-chemical impedance spectroscopy (EIS) and anodic polarization curves, the results of the polarization curves and Nyquist plots indicate that plaque removal has a value of current and speed corrosion grater with respect to the reference system.

Keywords: Biocompatibility, biomate-rials, 316 LVM steel, corrosion

W. Aperador • M. Melgarejo • C. RamirezEvaluación mecánica y electroquímica de una placa de acero

316-LVM previamente utilizada en el organismo humano


• Indicación: accesorio placa para fractura de cúbito y de clavícula.

• Material: acero inoxidable puro 316LVM

El material objeto de estudio presenta las si-guientes propiedades mecánicas y físicas, descritas en las Tablas 1, 2 y 3.

De la placa se seleccionaron cinco muestras:

• Dos para observación superficial

• Una para metalografía

• Una para dureza

• Una para análisis de corrosión.

Microscopía óptica

De las probetas seleccionadas se utilizaron dos para observación superficial de la placa: una por el lado expuesto a fluidos corporales y otra por el lado junto al hueso. Estas muestras no fueron sometidas a ningún tipo de preparación mecánica ni fueron atacadas. La otra muestra fue montada en una resina epóxica termoestable, en molde de neopreno y posteriormente pulida con una serie

Elemento C Si Mn Cr Ni Mo

% Peso 0,03 max 0,5 1,4 17,0 11,5 2,2

Dureza(Brinell)

HB

Límite de fluencia

Min

2mmKp

Resistencia a la tracción( )mmKp

AlargamientoL=5dMin%

ContracciónMin%

160 22 50-70 45 50

Peso Especifico

3cmg

Módulo de elasticidad a

20°C

mmKp

Resistencia Eléctrica a

20°C

Ωmmm2

Conductividad térmica a

20°C

Ccmscal

o

Calor Especifico a

20°C

Cg

calo

7,95 20,300 0,75 0,035 0,12

Tabla 3. Propiedades físicas del acero AISI 316 LVM [5]

Tabla 2. Propiedades mecánicas del acero AISI 316 LVM [5]

Tabla 1. Composición química del acero AISI 316 LVM [5]

Figura 1. Placa implante 316 LVM




de papel de carburo de silicio 100, 220, 320, 400, 600, 1000 y 1200. El pulido fino se realizó con un paño micro cloth y solución abrasiva de alúmina de 0,03 μm. La muestra fue atacada con cloruro férrico alcohólico (FeCl3 5g /HCl 2ml / etanol 95ml). A la muestra seleccionada se le tomaron tres micrografías: una a 100X para determinar el tamaño de grano, otra a 250X y 500X para deter-minar el tipo de microestructura y fases presentes, la observación de la probeta seleccionada se hizo en un microscopio óptico-metalográfico del tipo NEOPHOT 32

Dureza

El ensayo de dureza se cumplió en un duróme-tro RockwellC marca Karl Frank, modelo K506, a temperatura de laboratorio, con una carga de 150 kilopondios para dureza Rockwell C [16].

Evaluación de la resistencia frente a la corrosión

Para la evaluación del comportamiento frente a la corrosión en condiciones estáticas, se utilizó un potenciostato – galvanostato Gamry, modelo PCI-4. Las muestras se analizaron a través de las técnicas de espectroscopia de impedancia electro-química (EIS) y curvas de polarización anódica. Se colocaron las probetas sin pulir bajo inmersión en solución fisiológica hanks de pH 6,5, a tempe-

ratura ambiente, empleando una celda compuesta por un contraelectrodo de platino, un electrodo de referencia de Ag/AgCl. Como electrodo de trabajo se empleó el acero AISI 316LVM. Los diagramas de Nyquist se obtuvieron realizando barridos de frecuencia en el rango de 0,001 Hz hasta 100 kHz, usando una amplitud de la señal sinusoidal de 10 mV. Los diagramas de Tafel se obtuvieron a una velocidad de barrido de 0,125 mV/s en un rango de voltajes de -0,25V a 1V empleando un área expuesta de 0,68 cm2.

Resultados y análisis

Análisis metalográfico

En la Figura 2 se muestran las micrografías tomadas a la superficie de la placa que estuvo ex-puesta a fluidos corporales durante su tiempo de trabajo dentro de un organismo humano.

Se puede observar un desgaste superficial al estar sometida a los fluidos corporales; debido a la formación de áreas con mayor cantidad de daño producido por inclusiones localizadas de agentes químicos naturales altamente activos, lo que pro-dujo bioactividad en el material evaluado.

En la Figura 3 se observa la micrografía to-mada a la superficie de la placa en contacto con el hueso. Se puede advertir desgaste superficial

Figura 2. Micrografía de superficie externa 500X

Figura 3. Micrografía superficie interna 500X




unidireccional provocado por la fibrosis del hueso en regeneración. Hay presencia de zonas globulares profundas producidas en la topografía del material al momento de su fabricación.

En la Figura 4 se observa la micrografía utilizada para determinar el tamaño de grano del biomaterial [17] y de esta forma explorar sus características morfológicas.

Tamaño de grano:

NA = f (Ninterior + Ninterceptado / 2 )

NA = 2(212 + 65/2 ) = 489

G = 3,321918.log NA - 2.954

G = 5.98

Tamaño de grano = Nº 6

Los aceros 316L poseen una microestruc-tura austenítica, eso los convierte en aceros resistentes a la corrosión y se debe a que la cantidad de níquel y cromo presentes, junto al muy bajo contenido de carbono, se transforma en austenita, la cual se caracteriza por un ta-maño de grano grande, y a mayor tamaño de grano, menor área de exposición a la corrosión y cuanto menor área de exposición intergranular se presente, menor posibilidad de corrosión

En las Figuras 5 y 6 se advierte en las micrografías la presencia de bandas continuas horizontales. La presencia de precipitación de

Figura 4. Micrografía placa acero AISI 316LVM 100X

Figura 5. Micrografía de placa acero AISI 316LVM 250X

Figura 6. Micrografía placa acero AISI 316LVM 500X

carburos intragranulares, producida en el proceso de fabricación del acero y por la orientación de los carburos. Se puede ver que este acero sufrió un proceso de laminado o conformado por laminación.

En la Figura 7 se muestra la micrografía con mayor aumento, lo que evidencia inclusiones profundas de fluido corporal (sangre) dentro de zonas afectadas por degradación superficial.

Dureza

Para la determinación de la dureza se selec-cionaron cinco puntos en cinco zonas y se realizó un promedio [16].

Se evidencia la pérdida de dureza debido al desgaste generado por la inmersión en el cuerpo humano. La precipitación de carburos es un indicio de disminución en las propiedades del material producido por el constante estado tér-mico del cuerpo humano. Aunque la temperatura interna del cuerpo humano es más elevada que la




temperatura ambiente, y a pesar de que se con-sideraría un dato no muy significativo, hay que tener en cuenta que esta temperatura es constante y el acero inoxidable es un conductor térmico.

Propiedades electroquímicas

Espectroscopia de impedancia electroquímica

En la Figura 7 se muestran los diagramas de Nyquist correspondientes al acero 316 LVM retirado del cuerpo y el de referencia. Se nota que el mejor comportamiento electroquímico es el generado por el acero inoxidable 316 LVM de

HR1er

punto

2do

punto

3er

punto

4to

punto

5to

puntoProme-

dio

Acero 316LVM

inmerso en el cuerpo

88 91 89 87 90 89

Acero 316LVM

referencia102 108 106 103 106 105

Tabla 4. Medidas de dureza de las placas del acero 316LVM, sistema referencia y retirada del cuerpo.

Figura 7. Diagrama de Nyquist de las aleaciones del acero 316 LVM, sistema referencia y retirada del cuerpo.

Figura 8. Circuito equivalente, Ydl elemento de fase constante, entre la interfase metal capa protectora, y Rdl es la resistencia de transferencia de carga; cuando están en paralelo la respuesta

se caracteriza por la presencia de un semicírculo.



referencia, esto se debe a la no previa exposición a los fluidos orgánicos, lo cual mantiene en el material una capa pasiva, con referencia a las aleaciones de 316LVM retirada del cuerpo se obtiene que el comportamiento es similar para la probeta en referencia; sin embargo, la curva se desplaza hacia una zona donde disminuye la resistencia a la polarización, lo cual indica una disminución en sus propiedades electroquímicas.

En la Figura 8 se muestra el circuito equiva-lente, donde los dos materiales analizados revelan una capacitancia, denominada “elemento de fase


constante de doble fase” (Y), independiente de reacciones farádicas, las cuales contribuyen con una pseudo capacitancia (Ydl+Yel-re) a la impe-dancia total del sistema. Por otra parte, en una celda electroquímica hay también una resistencia eléctrica, asociada a la resistencia del electrolito (Rs), entre el punto en el cual se mide el poten-cial (usualmente la punta del capilar de Luggin) y el electrodo de trabajo, (Rs). Esta resistencia también se hará manifiesta en impedancia total del sistema. Tales comportamientos han sido aso-ciados a fenómenos de adsorción –desorción de especies en la superficie del electrodo, los cuales alteran el potencial del electrodo y la velocidad de corrosión del metal.

En la Figura 9 se advierten las curvas de polarización, en la región anódica se observan las curvas con potenciales de 1200 mV con

Figura 9. Curvas de polarización Tafel de las aleaciones del acero 316 LVM, sistema referencia y retirada del cuerpo.

316LVM

Retirada316 LVM Referencia

Pendiente anódica (V/década) 235,5e-3 577,0e-3

Pendiente catódica (V/década) 1,219 154,8e-3

Corriente de corrosión (µA) 11,0 2,150

Potencial de corrosión (mV) -28,0 -392,0

Velocidad de corrosión (mpy) 24,36 981,5e-3

Tabla 5. Parámetros del acero 316 LVM, hallado con las curvas de polarización.



referencia al potencial de corrosión, con el pro-pósito de estudiar su carácter anódico, la única probeta que genera pasivación es el acero 316 LVM referencia; la otra muestra una disolución general cuando el potencial está alrededor de 300 mV, posteriormente se considera un corrosión moderada debido a que la densidad de corriente de corrosión no aumenta en función del potencial.

En la Tabla 5 se muestran los parámetros calculados a partir de las curvas de polarización en el rango de los ± 250 mV. El acero 316LVM previamente utilizado genera los valores de velocidad de corrosión más altos, comparados con el material de referencia, esto evidencia la degradación acelerada que soportó el material, además se obtiene el mismo comportamiento alcanzar con la técnica EIS,


Conclusiones

La apariencia del biomaterial objeto de es-tudio observada en las micrografías muestra el profundo efecto de los fluidos y tejidos corporales activos sobre el material. A pesar de que el acero inoxidable 316L es médicamente un biomaterial inerte, presenta una pobre resistencia a la corrosión al estar sometido por largo tiempo a elementos corporales químicamente activos (fluidos corpo-rales); los cuales producen una degradación en la superficie, como se puede ver en los límites de grano de la austenita en las micrografías.

Para un acero inoxidable austenítico como biomaterial, las normas especifican una estructura homogénea, de grano fino, con bajo contenido de inclusiones y libre de ferrita. Por esta razón, los aceros inoxidables son utilizados en implantes no permanentes. El tamaño de grano y la dureza del biomaterial se conservaron dentro de un rango de aceptabilidad para las funciones mecánicas de este material; no se presentó una afectación severa, lo que quiere decir que la degradación del material es tan solo superficial y no afecta sus propiedades mecánicas.

De acuerdo con la caracterización electroquí-mica se observa que la velocidad de corrosión aumenta de 981,5x10-3 mpy para el acero de referencia 316LVM a 24,36 mpy para la placa de acero 316LVM implantado, lo cual evidencia el grado de deterioro superficial a que fue sometido por la acción de los fluidos corporales.

Se observan aún inclusiones profundas de fluidos corporales (sangre), las cuales no se han evaporado por las condiciones ambientales en las que se encontraba la pieza extraída (clima templado).

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