Влияние структуры на кинетику и стадийность процесса коррозии биорезорбируемых магниевых сплавов ZX10 и WZ31

Биорезорбируемые магниевые сплавы представляют собой один из наиболее перспективных материалов для костных хирургических имплантатов за счет сочетания ряда уникальных характеристик: высокой прочности, небольшого веса, модуля Юнга, близкого к костному, и низкой цитотоксичности. Важнейшей характеристикой является скорость коррозии, которая определяет время эксплуатации имплантата. На данный момент основные усилия исследователей направлены на поиск материала с коррозионными свойствами, обеспечивающими сохранение эксплуатационных свойств имплантата в течение периода заживления кости. Большинство работ по данной теме посвящено исследованию влияния химического состава сплава. В то же время известно, что структура материала также способна оказывать большое влияние на коррозию, например, измельчение зерна в некоторых случаях способно изменить даже ее тип. Кроме того, материалы с одинаковыми количественными показателями коррозии могут существенно отличаться в плане стадийности их накопления. Исследованы биорезорбируемые магниевые сплавы WZ31 и ZX10 в двух состояниях: литом (крупнозернистом) и после всесторонней изотермической ковки и осадки (мелкозернистом), с применением современных in-situ методов, позволяющих отслеживать динамику изменения скорости коррозии, а также стадийность развития коррозионных повреждений на поверхности образца. К таким методам относятся определение скорости коррозии по выходу водорода и видеомониторинг поверхности образца во время коррозионного воздействия. Испытания проводились в условиях, аналогичных условиям человеческого тела, таким как температура, состав коррозионной среды и уровень pH. Полученные результаты показали, что тип коррозии сплава WZ31 изменяется с уменьшением размера зерна с относительно равномерной на сильно локализованную. Сплав ZX10, напротив, продемонстрировал снижение скорости коррозии с уменьшением размера зерна, но ее тип не изменился. 

1. Zheng J., Chen Z., Yan Z., Zhang Z., Wang Q., Xue Y. Preparation of ultra-high strength Mg-Gd-Y-Zn-Zr alloy by pre-ageing treatment prior to extrusion // Journal of Alloys and Compounds. 2022. Vol. 894. Article number 162490. DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.162490.

2. Merson D., Brilevsky A., Myagkikh P., Tarkova A., Prokhorikhin A., Kretov E., Frolova T., Vinogradov A. The functional properties of Mg-Zn-X biodegradable magnesium alloys // Materials. 2020. Vol. 13. № 3. Article number 544. DOI: 10.3390/ma13030544.

3. Li Y., Li M., Hu W., Hodgson P., Wen C. Biodegradable Mg-Ca and Mg-Ca-Y alloys for regenerative medicine // Materials Science Forum. 2010. Vol. 654–656. P. 2192–2195. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.654-656.2192.

4. Gu X.N., Xie X.H., Li N., Zheng Y.F., Qin L. In vitro and in vivo studies on a Mg-Sr binary alloy system developed as a new kind of biodegradable metal // Acta Biomaterialia. 2012. Vol. 8. № 6. P. 2360–2374. DOI: 10.1016/j.actbio.2012.02.018.

5. Thormann U., Alt V., Heimann L., Gasquere C., Heiss C., Szalay G., Franke J., Schnettler R., Lips K.S. The biocompatibility of degradable magnesium interference screws: An experimental study with sheep // BioMed Research International. 2015. Vol. 2015. Article number 943603. DOI: 10.1155/2015/943603.

6. Merson D.L., Brilevsky A.I., Myagkikh P.N., Markushev M.V., Vinogradov A. Effect of deformation processing of the dilute Mg-1Zn-0.2Ca alloy on the mechanical properties and corrosion rate in a simulated body fluid // Letters on Materials. 2020. Vol. 10. № 2. P. 217–222. DOI: 10.22226/2410-3535-2020-2-217-222.

7. Asgari M., Hang R., Wang C., Yu Z., Li Z., Xiao Y. Biodegradable metallicwires in dental and orthopedic applications: A review // Metals. 2018. Vol. 8. № 4. Article number 212. DOI: 10.3390/met8040212.

8. Prakasam M., Locs J., Salma-Ancane K., Loca D., Largeteau A., Berzina-Cimdina L. Biodegradable materials and metallic implants-A review // Journal of Functional Biomaterials. 2017. Vol. 8. № 4. Article number 44. DOI: 10.3390/jfb8040044.

9. Antoniac I., Popescu D., Zapciu A., Antoniac A., Miculescu F., Moldovan H. Magnesium filled polylactic acid (PLA) material for filament based 3D printing // Materials. 2019. Vol. 12. № 5. Article number 719. DOI: 10.3390/ma12050719.

10. Myagkikh P.N., Merson E.D., Poluyanov V.A., Merson D.L. In-situ study of the corrosion process of biodegradable magnesium alloys // Science Vector of Togliatti State University. 2021. № 2. P. 18–25. DOI: 10.18323/2073-5073-2021-2-18-25.

11. Pogorielov M., Husak E., Solodivnik A., Zhdanov S. Magnesium-based biodegradable alloys: Degradation, application, and alloying elements // Interventional Medicine and Applied Science. 2017. Vol. 9. № 1. P. 27–38. DOI: 10.1556/1646.9.2017.1.04.

12. Peron M., Torgersen J., Berto F. Mg and its alloys for biomedical applications: Exploring corrosion and its interplay with mechanical failure // Metals. 2017. Vol. 7. № 7. Article number 252. DOI: 10.3390/met7070252.

13. Ding Y., Wen C., Hodgson P., Li Y. Effects of alloying elements on the corrosion behavior and biocompatibility of biodegradable magnesium alloys: A review // Journal of Materials Chemistry B. 2014. Vol. 2. № 14. P. 1912–1933. DOI: 10.1039/c3tb21746a.

14. Brar H.S., Wong J., Manuel M.V. Investigation of the mechanical and degradation properties of Mg-Sr and Mg-Zn-Sr alloys for use as potential biodegradable implant materials // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2012. Vol. 7. P. 87–95. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2011.07.018.

15. Wang C., Yang H.T., Li X., Zheng Y.F. In Vitro Evaluation of the Feasibility of Commercial Zn Alloys as Biodegradable Metals // Journal of Materials Science and Technology. 2016. Vol. 32. № 9. P. 909–918. DOI: 10.1016/j.jmst.2016.06.003.

16. Li K.K., Wang B., Yan B., Lu W. Preparing Ca-P coating on biodegradable magnesium alloy by hydrothermal method: In vitro degradation behavior // Chinese Science Bulletin. 2012. Vol. 57. № 18. P. 2319–2322. DOI: 10.1007/s11434-012-5067-5.

17. Song G. Control of biodegradation of biocompatable magnesium alloys // Corrosion Science. 2007. Vol. 49. № 4. P. 1696–1701. DOI: 10.1016/j.corsci.2007.01.001.

18. Xin Y., Liu C., Zhang X., Tang G., Tian X., Chu P.K. Corrosion behavior of biomedical AZ91 magnesium alloy in simulated body fluids // Journal of Materials Research. 2007. Vol. 22. № 7. P. 2004–2011. DOI: 10.1557/jmr.2007.0233.

19. Merson D., Linderov M., Brilevsky A., Danyuk A., Vinogradov A. Monitoring Dynamic Recrystallisation in Bioresorbable Alloy Mg-1Zn-0.2Ca by Means of an In Situ Acoustic Emission Technique // Materials. 2022. Vol. 15. № 1. Article number 328. DOI: 10.3390/ma15010328.

20. Parfenov E.V., Kulyasova O.B., Mukaeva V.R., Mingo B., Farrakhov R.G., Cherneikina Ya.V., Yerokhin A., Zheng Y.F., Valiev R.Z. Influence of ultra-fine grain structure on corrosion behaviour of biodegradable Mg-1Ca alloy // Corrosion Science. 2020. Vol. 163. Article number 108303. DOI: 10.1016/j.corsci.2019.108303.

21. Zhang X., Ba Z., Wang Q., Wu Y., Wang Z., Wang Q. Uniform corrosion behavior of GZ51K alloy with long period stacking ordered structure for biomedical application // Corrosion Science. 2014. Vol. 88. P. 1–5. DOI: 10.1016/j.corsci.2014.07.004.

22. Li C.Q., Xu D.K., Zeng Z.R., Wang B.J., Sheng L.Y., Chen X.-B., Han E.H. Effect of volume fraction of LPSO phases on corrosion and mechanical properties of Mg-Zn-Y alloys // Materials and Design. 2017. Vol. 121. P. 430–441. DOI: 10.1016/j.matdes.2017.02.078.

23. Zong X., Zhang J., Liu W., Zhang Y., You Z., Xu C. Corrosion Behaviors of Long-Period Stacking Ordered Structure in Mg Alloys Used in Biomaterials: A Review // Advanced Engineering Materials. 2018. Vol. 20. № 7. Article number 1800017. DOI: 10.1002/adem.201800017.

24. Horváth K., Drozdenko D., Máthis K., Garcés G., Dobroň P. Characterization of active deformation mechanisms in Mg alloys with LPSO phase // Acta Physica Polonica A. 2018. Vol. 134. № 3. P. 815–819. DOI: 10.12693/APhysPolA.134.815.