О совместимости биорезорбируемых магниевых сплавов с медицинскими титановыми изделиями
- 作者: 1, 1, 1
-
隶属关系:
- Тольяттинский государственный университет
- 期: 卷 1 (2022)
- 页面: 237-238
- 栏目: Физика
- URL: https://journals.eco-vector.com/osnk-sr/article/view/107539
- ID: 107539
如何引用文章
全文:
详细
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.
全文:
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.
作者简介
Тольяттинский государственный университет
Email: mariana.begun@gmail.com
студентка, группа МТМб-1803а, Институт машиностроения
俄罗斯联邦, ТольяттиТольяттинский государственный университет
Email: feanorhao@gmail.com
научный руководитель, младший научный сотрудник Научно-исследовательского института прогрессивных технологий
俄罗斯联邦, ТольяттиТольяттинский государственный университет
编辑信件的主要联系方式.
Email: d.merson@tltsu.ru
научный руководитель, доктор физико-математических наук, профессор, директор Научно-исследовательского института прогрессивных технологий
俄罗斯联邦, Тольятти参考
- 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
补充文件
