Physicochemical and electrochemical properties of AISI 316L stainless steel used for implants in human urinary system

The main purpose of this study was to evaluate physicochemical and electrochemical properties of AISI 316L stainless steel with modified surface, used for implants in human urinary system. In order to simulate conditions, which occur in the tissue environment of the urinary system, the test pieces were exposed in a urinary solution at temperature of T=37 ±1ºC, for a period of 30 days. Evaluation of physicochemical properties of biomaterial was made on the basis of surface chemical analysis (XPS). To evaluate the effects which occur on the surface of the examined steel, Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) method was also employed. Analysis of test results shows favourable influence of the suggested surface treatment of AISI 316L stainless steel. Samples having electrolytically polished and chemically passivated surface featured the best physicochemical and electrochemical characteristics.

Podstawowym kryterium przydatności biomateriału metalowego na implanty urologiczne (stenty urologiczne) jest biokompatybilność. Jest ona w głównej mierze związana z własnościami fizykochemicznymi powierzchni implantu, które powinny być dostosowane do cech środowiska tkanek układu moczowego człowieka. W celu poprawy biokompatybilności stali Cr-Ni-Mo ustalono warunki wytwarzania warstw pasywnych na jej powierzchni. Wytworzenie warstwy pasywnej obejmowało etap polerowania elektrolitycznego i pasywowania. Taki sposób obróbki powierzchniowej zapewnił chropowatość Ra < 0,16 μm wymaganą dla tego rodzaju implantów. W pracy tej szczególną uwagę skoncentrowano na analizie długotrwałego oddziaływania środowiska sztucznego moczu na własności fizykochemiczne wytypowanej stali. Zasadniczym celem pracy była ocena własnosci fizykochemicznych i elektrochemicznych stali AISI 316L o modyfikowanej powierzchni stosowanej na implanty w układzie moczowym człowieka. W celu zasymulowania warunków występujących w środowisku tkankowym układu moczowego próbki poddawano ekspozycji w roztworze sztucznego moczu o temperaturze T=37±1ºC przez okres 30 dni. O przydatności zaproponowanej warstwy pasywnej do uszlachetniania powierzchni stali w znacznym stopniu decyduje jej skład chemiczny. Dlatego w pracy wykonano badania składu chemicznego metodą spektroskopii fotoelektronów (XPS), z użyciem wielofunkcyjnego spektrometru elektronów PHI 5700/660 firmy Physical Electronics, podczas których zidentyfikowano i wyznaczono stężenia atomowe pierwiastków w badanych warstwach pasywnych. Dla próbek przeprowadzono pomiar widma fotoelektronów w szerokim zakresie energii wiązania od 0÷1400 eV oraz dokładne pomiary linii widmowych poszczególnych pierwiastków składowych z warstwy powierzchniowej. Dla oceny zjawisk zachodzacych na powierzchni badanej stali zastosowano również metodę elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (EIS). Pomiary przeprowadzono z wykorzystaniem systemu pomiarowego AutoLab PGSTAT 302N wyposażonego w moduł FRA2 (Frequency Response Analyser). Badania przeprowadzono w alternatywnym roztworze symulującym środowisko moczu człowieka. Zastosowana w pracy mikroskopia skaningowa pozwoliła na ocene stanu powierzchni stali AISI 316L przed i po ekspozycji w sztucznym moczu. Analiza wyników badań wskazuje na korzystny wpływ zaproponowanej obróbki powierzchniowej stali AISI 316L. Najkorzystniejszą charakterystykę fizykochemiczną i elektrochemiczną miały próbki o powierzchni polerowanej elektrolitycznie i pasywowanej chemicznie. Przeprowadzone w pracy badania stanowią podstawę do dalszych analiz związanych z zagadnieniem biokompatybilności stali Cr-Ni-Mo stosowanej na implanty w urologii.