О совместимости биорезорбируемых магниевых сплавов с медицинскими титановыми изделиями
- Авторы: Бегун М.Э.1, Мягких П.Н.1, Мерсон Д.Л.1
-
Учреждения:
- Тольяттинский государственный университет
- Выпуск: Том 1 (2022)
- Страницы: 237-238
- Раздел: Физика
- URL: https://journals.eco-vector.com/osnk-sr/article/view/107539
- ID: 107539
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Обоснование. Магниевые биорезорбируемые сплавы на данный момент представляют собой одни из наиболее перспективных материалов для создания саморастворяющихся хирургических имплантатов. За годы исследований были изучены их механические и усталостные свойства, определены основные коррозионные характеристики, а также подтверждена биосовместимость путем экспериментов на клеточных культурах и животных [1, 2]. Однако при этом некоторые практические аспекты применения магниевых имплантатов остались без должного внимания. В частности, вопрос о совместном использовании имплантатов из магниевых сплавов и традиционных материалов, таких как титан, остается неизученным. Известно, что магний интенсивно разрушается в коррозионной среде при присутствии веществ, имеющих более положительный электродный потенциал, — на этом основан принцип действия электрохимической коррозии [3]. Это означает, что присутствие в непосредственной близости от магниевого имплантата изделий из титановых сплавов может значительно ускорить скорость его растворения и привести к выходу из строя до завершения процесса заживления. Чтобы свести подобные риски к минимуму, необходимо знать, на каком расстоянии между магнием и титаном способен проявляться этот эффект.
Цель — определение расстояния, на котором электрохимический эффект между магниевыми сплавами и сплавами на основе титана будет минимизирован.
Методы. В данном исследовании решено было использовать сплав Mg–1 %Zn–0,15 %Ca с ультрамелкозернистой структурой, как показавший ранее хорошие коррозионные свойства [4]. Для коррозионных испытаний были изготовлены прямоугольные пластины 12 × 7 × 2 мм с отверстием ⌀1 мм в верхней части образца. Перед испытаниями образцы шлифовались на наждачной бумаге #2500, промывались в этаноле и взвешивались с точностью до 0,0001 г. Испытания проводились помещением образца в раствор 0,9 % NaCl, имитирующий плазму крови человека. Были воссозданы и другие условия человеческого тела: в течение всего эксперимента поддерживались температура 37 ± 1 °С и постоянное перемешивание раствора. Образцы подвешивались вертикально на нити из стекловолокна, титановый имплантат располагался вертикально на расстоянии 3, 6 или 12 см от образца, также был проведен эксперимент без титанового имплантата для определения собственной скорости коррозии сплава. Скорость коррозии определялась двумя методами: по выделению водорода аналогично работе [5], а также гравиметрически — по потере массы образца.
Результаты. Были получены значения скорости коррозии, представленные на рис. 1, а также кривые выхода водорода, показанные на рис. 2.
Рис. 1. Скорость коррозии образцов, измеренная по выходу водорода и гравиметрическим методом
Рис. 2. Кривые выхода водорода
Скорость коррозии образов, находящихся в 3 см от титанового имплантата, существенно выше, чем у остальных. На расстоянии 6 и 12 см скорость коррозии не отличается от контрольной группы.
Кривые выхода водорода для образцов, расположенных в 6 и 12 см от титанового имплантата, также близки к кривой образцов контрольной группы: отчетливо виден резкий скачок в первые 6–12 ч эксперимента, плато и загиб вверх после 24 ч, соответствующий интенсивной локализованной коррозии. В то же время образец, подвешенный в 3 см от титанового имплантата, имеет кривую иного вида: плато после первых 6–12 ч эксперимента отсутствует, что говорит о не до конца прошедшей стадии пассивации и быстром возникновении глубоких язв.
Выводы. По результатам проведенных испытаний можно утверждать, что электрохимический эффект очень сильно проявляется на расстоянии в 3 см между образцом и титановым имплантатом, на расстоянии 6 см и более влияния на скорость коррозии не прослеживается.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-38-90073.
Полный текст
Обоснование. Магниевые биорезорбируемые сплавы на данный момент представляют собой одни из наиболее перспективных материалов для создания саморастворяющихся хирургических имплантатов. За годы исследований были изучены их механические и усталостные свойства, определены основные коррозионные характеристики, а также подтверждена биосовместимость путем экспериментов на клеточных культурах и животных [1, 2]. Однако при этом некоторые практические аспекты применения магниевых имплантатов остались без должного внимания. В частности, вопрос о совместном использовании имплантатов из магниевых сплавов и традиционных материалов, таких как титан, остается неизученным. Известно, что магний интенсивно разрушается в коррозионной среде при присутствии веществ, имеющих более положительный электродный потенциал, — на этом основан принцип действия электрохимической коррозии [3]. Это означает, что присутствие в непосредственной близости от магниевого имплантата изделий из титановых сплавов может значительно ускорить скорость его растворения и привести к выходу из строя до завершения процесса заживления. Чтобы свести подобные риски к минимуму, необходимо знать, на каком расстоянии между магнием и титаном способен проявляться этот эффект.
Цель — определение расстояния, на котором электрохимический эффект между магниевыми сплавами и сплавами на основе титана будет минимизирован.
Методы. В данном исследовании решено было использовать сплав Mg–1 %Zn–0,15 %Ca с ультрамелкозернистой структурой, как показавший ранее хорошие коррозионные свойства [4]. Для коррозионных испытаний были изготовлены прямоугольные пластины 12 × 7 × 2 мм с отверстием ⌀1 мм в верхней части образца. Перед испытаниями образцы шлифовались на наждачной бумаге #2500, промывались в этаноле и взвешивались с точностью до 0,0001 г. Испытания проводились помещением образца в раствор 0,9 % NaCl, имитирующий плазму крови человека. Были воссозданы и другие условия человеческого тела: в течение всего эксперимента поддерживались температура 37 ± 1 °С и постоянное перемешивание раствора. Образцы подвешивались вертикально на нити из стекловолокна, титановый имплантат располагался вертикально на расстоянии 3, 6 или 12 см от образца, также был проведен эксперимент без титанового имплантата для определения собственной скорости коррозии сплава. Скорость коррозии определялась двумя методами: по выделению водорода аналогично работе [5], а также гравиметрически — по потере массы образца.
Результаты. Были получены значения скорости коррозии, представленные на рис. 1, а также кривые выхода водорода, показанные на рис. 2.
Рис. 1. Скорость коррозии образцов, измеренная по выходу водорода и гравиметрическим методом
Рис. 2. Кривые выхода водорода
Скорость коррозии образов, находящихся в 3 см от титанового имплантата, существенно выше, чем у остальных. На расстоянии 6 и 12 см скорость коррозии не отличается от контрольной группы.
Кривые выхода водорода для образцов, расположенных в 6 и 12 см от титанового имплантата, также близки к кривой образцов контрольной группы: отчетливо виден резкий скачок в первые 6–12 ч эксперимента, плато и загиб вверх после 24 ч, соответствующий интенсивной локализованной коррозии. В то же время образец, подвешенный в 3 см от титанового имплантата, имеет кривую иного вида: плато после первых 6–12 ч эксперимента отсутствует, что говорит о не до конца прошедшей стадии пассивации и быстром возникновении глубоких язв.
Выводы. По результатам проведенных испытаний можно утверждать, что электрохимический эффект очень сильно проявляется на расстоянии в 3 см между образцом и титановым имплантатом, на расстоянии 6 см и более влияния на скорость коррозии не прослеживается.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-38-90073.
Об авторах
Марина Эдуардовна Бегун
Тольяттинский государственный университет
Email: mariana.begun@gmail.com
студентка, группа МТМб-1803а, Институт машиностроения
Россия, ТольяттиПавел Николаевич Мягких
Тольяттинский государственный университет
Email: feanorhao@gmail.com
научный руководитель, младший научный сотрудник Научно-исследовательского института прогрессивных технологий
Россия, ТольяттиДмитрий Львович Мерсон
Тольяттинский государственный университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: d.merson@tltsu.ru
научный руководитель, доктор физико-математических наук, профессор, директор Научно-исследовательского института прогрессивных технологий
Россия, ТольяттиСписок литературы
- Merson D., Brilevsky A., Myagkikh P., et al. The functional properties of Mg-Zn-X biodegradable magnesium alloys // Materials (Basel). 2020. Vol. 13, No. 3. P. 544. doi: 10.3390/ma13030544
- Makkar P., Sarkar S.K., Padalhin A.R., et al. In vitro and in vivo assessment of biomedical Mg–Ca alloys for bone implant applications // J Appl Biomater Funct Mater. 2018. Vol. 16, No. 3. P. 126–136. doi: 10.1177/2280800017750359
- Parfenov E.V., Kulyasova O.B., Mukaeva V.R., et al. Influence of ultra-fine grain structure on corrosion behaviour of biodegradable Mg-1Ca alloy // Corros Sci. 2020. Vol. 163. ID 108303. doi: 10.1016/j.corsci.2019.108303
- Merson D.L., Brilevsky A.I., Myagkikh P.N., et al. Effect of deformation processing of the dilute Mg-1Zn-0.2Ca alloy on the mechanical properties and corrosion rate in a simulated body fluid // Lett Mater. 2020. Vol. 10, No. 2. P. 217–222. doi: 10.22226/2410-3535-2020-2-217-222
- Мягких П.Н., Мерсон Е.Д., Полуянов В.А., Мерсон Д.Л. In-situ исследование процесса коррозии магниевых биорезорбируемых сплавов // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2021. № 2. С. 18–25. doi: 10.18323/2073-5073-2021-2-18-25
Дополнительные файлы
