Mechanical and corrosion properties of Mg68-xZn28+xCa4 (x=0,2,4) metallic glasses

• Autorzy: Nowosielski Ryszard , Cesarz-Andraczke Katarzyna , Babilas Rafał

Identyfikatory

DOI

10.15199/40.2019.6.1

Warianty tytułu

PL

Własności mechaniczne i korozyjne szkieł metalicznych Mg68-xZn28+xCa4 (x=0,2,4)

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Metallic amorphous alloys, which consisted of the biocompatible elements such as Ca, Mg and Zn, can be used as potential resorbable materials for short term orthopedic implants [1,2]. The concept of resorbable metallic implants is based on combination of two factors: good bearing capacity, sufficiently high mechanical strength and stable implants geometry, invariable during concrescence of bone, and controllable corrosion rate (dissolution rate). Therefore, the following criteria on Mg-based metallic glass for resorbable implant were chosen: Rc > 160 MPa [3], H2 ≤ 1ml/h [4] and Vcorr ≈ 0.01 - 0.1 mm/year [5]. The glass-forming ability (GFA), volume of evolved hydrogen, corrosion rate, compression strength and hardness of Mg68-xZn28+xCa4 (x=0,2,4) metallic glasses were examined. Results of corrosion studies and mechanical properties tests were compared with assumed criteria. Results of corrosion tests showed that the corrosion rate (Vcorr) and the volume of released hydrogen decreased with the increase zinc concentration in the tested alloys. For the Mg66Zn30Ca4 amorphous alloy with a diameter of 2 mm, the highest hardness about 300 HV and the compressive strength about 400 MPa were determined.

PL

Stopy metali o strukturze amorficznej, które składają się z biokompatybilnych pierwiastków, takich jak Ca, Mg i Zn mogą być rozpatrywane jako potencjalnie resorbowalne biomateriały do krótkotrwałych implantów ortopedycznych [1,2]. Koncepcja resorbowalnych implantówmetalicznych opiera się na połączeniu dwóch czynników: dobrej nośności, odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej i stabilnej geometrii implantów, niezmiennej w trakcie wzrostu kości i kontrolowanej szybkości korozji (szybkości roztwarzania). W związku z tym wybrano następujące kryteria dla szkła metalicznego na osnowie magnezu, rozpatrywanego jako materiał na resorbowalny implant: Rc> 160 MPa [3], H2 ≤ 1 ml/h [4] i Vcorr ≈ 0,01 - 0,1 mm/rok [5]. W ramach tej pracy zbadano zdolność do zeszklenie (GFA), objętość wydzielonego wodoru podczas zanurzenia w roztworze Ringer’a, szybkość korozji, wytrzymałość na ściskanie i twardość szkieł metalicznych Mg68-xZn28+xCa4 (x = 0,2,4). Wyniki badań korozyjnych i właściwości mechanicznych zostały porównane z założonymi kryteriami. Wyniki badań korozyjnych wykazały, że szybkość korozji (Vcorr) i objętość uwolnionego wodoru zmniejszyły się wraz ze zwiększeniem stężenia cynku w badanych stopach. Dla amorficznego stopu Mg66Zn30Ca4 o średnicy 2 mm wyznaczono najwyższą twardość około 300 HV i wytrzymałość na ściskanie około 400 MPa.

Słowa kluczowe

EN

amorphous magnesium alloys; resorbable metallic glasses; corrosion rate; compressive strength

PL

amorficzne stopy magnezu; resorbowalne szkła metaliczne; szybkość korozji; wytrzymałość na ściskanie

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Ochrona przed Korozją
• Rocznik: 2019
• Tom: nr 6
• Strony: 192--196
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Nowosielski Ryszard

• Institute of Engineering Materials and Biomaterials, Silesian University of Technology, Konarskiego 18a St., 44-100 Gliwice, Poland

autor

Cesarz-Andraczke Katarzyna

• Institute of Engineering Materials and Biomaterials, Silesian University of Technology, Konarskiego 18a St., 44-100 Gliwice, Poland

autor

Babilas Rafał

• Institute of Engineering Materials and Biomaterials, Silesian University of Technology, Konarskiego 18a St., 44-100 Gliwice, Poland

Bibliografia

• [1] Witte Frank, Kaese Volker, Haferkamp Heinz, Switzer Elinor, Meyer-Lindenberg Andrea, Wirth Carl Joachim, Windhagen Henning. 2005. “In vivo corrosion of four magnesium alloys and the associated bone response”. Biomaterials 26 (17) : 3557-3563.
• [2] Hort Norbert, Huang Yuanding, Fechner Daniel, Sormer Michael, Blawert Carsten, Witte Frank, Vogt Carla, Drucker Heiko, Willumeit Regine, Kainer Karl, Feyerabend Frank. 2010. “Magnesium alloys as implant materials – Principles of property design for Mg–RE alloys”. Acta Biomateralia 6 : 1714-1725.
• [3] Świeczko-Żurek Beata. 2009. Biomateriały. Gdańsk: Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej.
• [4] Witte Frank, Hort Norbert, Vogt Carla, Smadar Cohen, Kainer Karl, Willumeit Regine, Feyerabend Frank. 2008. “Degradable biomaterials based on magnesium corrosion”. Current Opinion in Solid State and Materials Science 12 : 63-72.
• [5] Banaś Jacek, Solarski Wojciech. 2000. Chemia dla inżynierow. Kraków: Wydawnictwo Akedemii Górniczo-Hutniczej.
• [6] Staiger Mark, Pietak Alexis, Huadmai Jerawala, Dias George. 2005. “Magnesium and its alloys as orthopedic biomaterials: A review”. Biomaterials 27: 1728-1734.
• [7] Zander Daniela, Zumdick Naemi. 2015. “Influence of Ca and Zn on the microstructure and corrosion of biodegradable Mg–Ca–Zn alloys”. Corrossion Science 93 : 222–233.
• [8] Zhang Shaoxiang, Zhang Xiaonong, Zhao Changli, Li Jian-an, Song Yang, Xie Chaoying, Tao Hairong, Zhang Yuping, He Yaohua, Jiang Yao, Yujun Bian. 2010. “Research on an Mg-Zn alloy as a degradable biomaterial”. Acta Biomateralia 6 : 626-40.
• [9] Zhang Baoping, Hou Yunlong, Wang Xiaodan, Wang Yin, Geng Lin. 2011. “Mechanical properties, degradation performance and cytotoxicity of Mg–Zn–Ca biomedical alloys with different compositions”. Materials Science and Engineering C 31 : 1667-73.
• [10] Cao Jake, Martens Penny, Laws Kevin, Boughton Philip, Ferry Michael. 2012. “Quantitative in vitro assessment of Mg65Zn30Ca5 degradation and its effect on cell viability“ Journal of Biomedical Materials Response B 101 : 43-49.
• [11] Gu Xuenan, Zheng Yufeng, Zhong Shenping, Xi Tingfei, Wang Junqiang, Wang Weihua. 2010. ”Corrosion of, and cellular responses to Mg-Zn-Ca bulk metallic glasses”. Biomaterials 31 : 1093-103.
• [12] Wang Yufeng, Xie Xinhui, Li Huafang, Wang Xinluan, Zhao Minzhi, Zhang Enwei, Bai Yanije. 2011. ”Biodegradable CaMgZn bulk metallic glass for potential skeletal application”. Acta Biomateralia 7 : 3196-208.
• [13] Xie Xinhui, Wang Xinluan, Wang Yanbo, Zhang Ge. 2010. “Ca–Mg–Zn metallic glass as degradable biomaterials developed for potential orthopaedic applications”. Bone 47 : 425.
• [14] Babilas Rafał, Bajorek Aleksandra, Radoń Adrian, Nowosielski Ryszard. 2017. “Corrosion study of resorbable Ca60Mg15Zn25 bulk metallic glasses in physiological fluids”. Progress in Natural Science: Materials International 27 : 627-634.
• [15] Shi Zhiming, Atrens Andrej. 2011. An innovative specimen configuration for the study of Mg corrosion”. Corrosion Science 53 : 226-246 (2011).
• [16] Atrens Andrej, Liu Ming, Abidin Zajnal. 2011. “Corrosion mechanism applicable to biodegradable magnesium implants”. Materials Science and Enginering B 176 : 1609-1636 (2011), DOI: 10.1016/j.mseb.2010.12.017.
• [17] Ma Houyi, Zheng, Qiang Xu Jang, Li Yang. 2005. “Doubling the Critical Size for Bulk Metallic Glass Formation in the Mg–Cu–Y Ternary System”. Journal of Materials Research 20 : 2252-52.
• [18] Zheng Qiang, Cheng Sui Sun, Strader J.H., Ma E.2007. “Critical size and strength of the best bulk metallic glass former in the Mg–Cu–Gd ternary system” Scripta Materalia 56 : 161-164.
• [19] Ma E., Xu J. 2009. „Biodegradable alloys: The glass window of opportunities.” Natural Materials 8 : 855–857.
• [20] Babilas Rafał, Bajorek Aleksandra, Sakiewicz Piotr, Kania Aneta, Szyba Dawid. 2018. “Corrosion resistance of resorbable Ca-Mg-Zn-Yb metallic glasses in Ringer’s solution”. Journal of Non Crystallind Solids 488 : 69–78.
• [21] Babilas Rafał, Bajorek Aleksandra, Hawełek Łukasz, Głuchowski Wojciech, Simka Wojciech, Babilas Dorota. 2017. „Structural and electrochemical characterization of the Ca50Mg20Cu25Zn5 amorphous alloy”. Journal of Non Crystalline Solids 471 : 467–475.
• [22] Gopi Dattatreya, Murugan N., Ramya Subramani, Kavitha Louis. 2014. ” Electrodeposition of porous strontium substituted hydroxyapatite/zinc oxide duplex-layer on AZ91 magnesium alloy for orthopedic applications”. Journal of Materials Chemistry B 34 : 5531-5540.
• [23] Chozhanathmisra Manickam, Ramya Subramani, Kavitha Louis, Gopi Dattatreya. 2016. “Development of zinc-halloysite nanotube/minerals substituted hydroxyapatite bilayer coatings on titanium alloy for orthopedic applications” Colloids and Surface A 511 : 357-365.
• [24] Li Qing, Weng Hui-Ru, Suo Zhong, Ren Ying , Yuan Xiao, Qiu Ke-Qiang. 2008. “Microstructure and mechanical properties of bulk Mg–Zn–Ca amorphous alloys and amorphous matrix composites”. Materials Science and Enginering A 487 : 301–308.

Uwagi

The work was supported by National Science Centre under research project no: 2013/09/B/ST8/02129.

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).