The influence of residuals on the properties and degradation of magnesium alloys
Lähdesmäki, Emilia (2024)
Lähdesmäki, Emilia
2024
Bioteknologian ja biolääketieteen tekniikan kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Biotechnology and Biomedical Engineering
Lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunta - Faculty of Medicine and Health Technology
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2024-05-10
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202404294789
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202404294789
Tiivistelmä
Certain biomaterials, such as polymers, ceramics, and stainless steel, are not the most optimal materials for use in the manufacturing of bioabsorbable bone implants. An ideal magnesium alloy for orthopedic implants would be one whose properties best match those of human bone, especially in terms of Young’s modulus, and support normal bone healing. The use of magnesium alloys in orthopedic implants has increased in recent years due to their excellent mechanical properties as well as biocompatibility. However, the main weakness of magnesium as a material for bone implants is its poor corrosion resistance causing a risk of too rapid degradation.
It has been observed that alloying magnesium with zinc and calcium significantly improves its mechanical properties and corrosion resistance. A company called Bioretec Ltd. has developed a unique RemeOs™ magnesium alloy, composed of magnesium with small amounts of calcium and zinc (Mg-0.55Ca-0.45Zn).
During the manufacturing of magnesium alloys, it is not possible to guarantee one hundred percent purity of the alloying elements. Therefore, residuals, in the context of this paper elemental impurities, may remain in the alloy, which may have significance for the microstructure or cytotoxicity of the magnesium alloy. Given that even small additions of calcium and zinc can cause significant changes in magnesium alloys, it is important to also examine the effect of residuals in magnesium alloys.
This paper is a literature review concluded according to a defined protocol, attached, aiming to find out how different residuals affect the microstructure, mechanical properties, and corrosion behavior of RemeOs™ magnesium alloy. The focus will be on the effects of zirconium, iron, nickel, and copper. The protocol involves a two-stage evaluation process, where publications identified through combinations of the four search terms are systematically reviewed based on their titles and abstracts, and their suitability to the literature review is assessed. If a publication meets the criteria of the first stage, it is then reviewed again in full text, and its relevance and added value are reassessed.
Based on the literature search conducted, 513 publications were identified, of which 135 passed the first stage and 64 the second stage. The most common finding from the literature is the dependence of the corrosion rate of magnesium alloys on grain size. Smaller grain size improves the anodic kinetics, thereby enhancing the corrosion resistance of magnesium alloys. Additionally, the effect of zirconium in Mg-Ca-Zn alloys emerged as a significant factor. Adding less than 1 wt.% of zirconium reduces the grain size of magnesium alloys and thus decreases their corrosion rate. However, no specific effects of copper, iron, and nickel were found in magnesium alloys, and there were few studies in the literature search publications that used magnesium alloys with these elements added. Therefore, it can be assumed that they do not have significant benefits for magnesium alloys used in bone implants.
The corrosion behavior of magnesium alloys is complex, and in the future, it would be important to further investigate the significance of various coatings and manufacturing methods for the microstructure, mechanical properties, and degradation behavior of Mg-Ca-Zn alloys. On havaittu, että eräät biomateriaalit, kuten polymeerit, keraamit ja ruostumaton teräs eivät ole optimaalisimpia käytettäväksi bioabsorboituvien luuimplanttien valmistusmateriaalina. Ideaali magnesiumseos ortopedisiin implantteihin olisi sellainen, jonka ominaisuudet täsmäävät parhaiten ihmisen luun kanssa, erityisesti kimmomoduulin osalta, sekä tukisi luun normaalia paranemisprosessia. Magnesiumseosten käyttö on lisääntynyt viime vuosien aikana ortopedisissä implanteissa niiden erinomaisten metallien mekaanisten ominaisuuksien sekä bioyhteensopivuuden ansiosta. Magnesiumin suurimpana heikkoutena käytettäväksi luuimplanttimateriaalina voidaan pitää sen heikkoa korroosionkestävyyttä. Magnesiumin seostamisella sinkin ja kalsiumin kanssa on huomattu parantavan magnesiumin mekaanisia ominaisuuksien sekä korroosionkestävyyttä merkittävästi. Yritys nimeltä Bioretec Ltd. on kehittänyt uniikin RemeOs™ -magnesiumseoksen (Mg-0.55Ca-0.45Zn), joka koostuu magnesiumista sekä pienistä määristä kalsiumia ja sinkkiä.
Valmistettaessa magnesiumseosta, ei pystytä takaamaan sataprosenttista puhtautta seosaineille. Tästä syystä seokseen saattaa jäädä alkuainejäämiä, joilla saattaa olla merkitystä esimerkiksi magnesiumseoksen mikrorakenteen tai sytotoksisuuden kannalta. Kun tiedetään kalsiumin ja sinkin pienten lisäysten aiheuttavan jo merkityksellisiä muutoksia magnesiumseoksessa, täten on syytä tarkastella myös alkuainejäämien vaikutusta magnesiumseoksessa.
Tämän työn tarkoituksena on tehdä erikseen määritellyn, liitteenä olevan, protokollan mukainen kirjallisuuskatsaus siitä, miten erilaiset alkuainejäämät, erityisesti zirkonium, kupari, rauta ja nikkeli, vaikuttavat RemeOs™ -magnesiumseoksen mikrorakenteeseen, mekaanisiin ominaisuuksiin sekä korroosiokäyttäytymiseen. Erityistarkastelun kohteena ovat zirkonium, rauta, nikkeli ja kupari. Protokollana käytetään kaksivaiheista arviointia, jossa ensimmäisessä vaiheessa kaikki neljän hakusanojen kombinaatioiden avulla löydetyt julkaisut käydään systemaattisesti läpi julkaisun otsikon ja tiivistelmän osalta sekä arvioidaan niiden merkityksellisyyttä kirjallisuuskatsauksen näkökulmasta. Mikäli julkaisu täyttää ensimmäisen vaiheen kriteerit, käydään se läpi uudelleen koko tekstin osalta ja uudelleenarvioidaan sen merkityksellisyyden ja tuoman lisäarvon osalta.
Scopus-tietokannassa tehdyn kirjallisuushaun perusteella tuli esille 513 julkaisua, joista 135 läpäisi ensimmäisen vaiheen ja 64 toisen vaiheen. Yleisin tulos kirjallisuuden perusteella on magnesiumseoksen korroosioasteen riippuvuus raekoosta. Mitä pienempi raekoko on, sitä enemmän parannetaan anodista kinetiikkaa, jonka myötä parannetaan magnesiumseoksen korroosionkestävyyttä. Lisäksi yksittäisistä alkuaineista esiin nousi erityisesti zirkoniumin vaikutus Mg-Ca-Zn seoksissa. Alle 1 paino-%: n zirkoniumlisäys pienentää magnesiumseoksen raekokoa ja näin ollen pienentää sen korroosioastetta. Sen sijaan, kuparille, raudalle ja nikkelille ei löydetty erityisiä vaikutuksia magnesiumseoksessa, eikä kirjallisuushaun julkaisuissa olevissa tutkimuksissa ollut juurikaan käytetty magnesiumseoksia, joihin olisi lisätty kyseisiä alkuaineita. Täten voidaan olettaa, ettei niillä ole ainakaan merkityksellistä hyötyä magnesiumseosten ominaisuuksien kannalta.
Magnesiumseoksen korroosiokäyttäytyminen on hyvin monitahoinen ja tulevaisuudessa tulisi vielä selvittää entistä tarkemmin esimerkiksi erilaisten pinnoitteiden ja valmistusmenetelmien merkitys Mg-Ca-Zn seoksen mikrorakenteen, mekaanisten ominaisuuksien ja hajoamiskäyttäytymisen kannalta.
It has been observed that alloying magnesium with zinc and calcium significantly improves its mechanical properties and corrosion resistance. A company called Bioretec Ltd. has developed a unique RemeOs™ magnesium alloy, composed of magnesium with small amounts of calcium and zinc (Mg-0.55Ca-0.45Zn).
During the manufacturing of magnesium alloys, it is not possible to guarantee one hundred percent purity of the alloying elements. Therefore, residuals, in the context of this paper elemental impurities, may remain in the alloy, which may have significance for the microstructure or cytotoxicity of the magnesium alloy. Given that even small additions of calcium and zinc can cause significant changes in magnesium alloys, it is important to also examine the effect of residuals in magnesium alloys.
This paper is a literature review concluded according to a defined protocol, attached, aiming to find out how different residuals affect the microstructure, mechanical properties, and corrosion behavior of RemeOs™ magnesium alloy. The focus will be on the effects of zirconium, iron, nickel, and copper. The protocol involves a two-stage evaluation process, where publications identified through combinations of the four search terms are systematically reviewed based on their titles and abstracts, and their suitability to the literature review is assessed. If a publication meets the criteria of the first stage, it is then reviewed again in full text, and its relevance and added value are reassessed.
Based on the literature search conducted, 513 publications were identified, of which 135 passed the first stage and 64 the second stage. The most common finding from the literature is the dependence of the corrosion rate of magnesium alloys on grain size. Smaller grain size improves the anodic kinetics, thereby enhancing the corrosion resistance of magnesium alloys. Additionally, the effect of zirconium in Mg-Ca-Zn alloys emerged as a significant factor. Adding less than 1 wt.% of zirconium reduces the grain size of magnesium alloys and thus decreases their corrosion rate. However, no specific effects of copper, iron, and nickel were found in magnesium alloys, and there were few studies in the literature search publications that used magnesium alloys with these elements added. Therefore, it can be assumed that they do not have significant benefits for magnesium alloys used in bone implants.
The corrosion behavior of magnesium alloys is complex, and in the future, it would be important to further investigate the significance of various coatings and manufacturing methods for the microstructure, mechanical properties, and degradation behavior of Mg-Ca-Zn alloys.
Valmistettaessa magnesiumseosta, ei pystytä takaamaan sataprosenttista puhtautta seosaineille. Tästä syystä seokseen saattaa jäädä alkuainejäämiä, joilla saattaa olla merkitystä esimerkiksi magnesiumseoksen mikrorakenteen tai sytotoksisuuden kannalta. Kun tiedetään kalsiumin ja sinkin pienten lisäysten aiheuttavan jo merkityksellisiä muutoksia magnesiumseoksessa, täten on syytä tarkastella myös alkuainejäämien vaikutusta magnesiumseoksessa.
Tämän työn tarkoituksena on tehdä erikseen määritellyn, liitteenä olevan, protokollan mukainen kirjallisuuskatsaus siitä, miten erilaiset alkuainejäämät, erityisesti zirkonium, kupari, rauta ja nikkeli, vaikuttavat RemeOs™ -magnesiumseoksen mikrorakenteeseen, mekaanisiin ominaisuuksiin sekä korroosiokäyttäytymiseen. Erityistarkastelun kohteena ovat zirkonium, rauta, nikkeli ja kupari. Protokollana käytetään kaksivaiheista arviointia, jossa ensimmäisessä vaiheessa kaikki neljän hakusanojen kombinaatioiden avulla löydetyt julkaisut käydään systemaattisesti läpi julkaisun otsikon ja tiivistelmän osalta sekä arvioidaan niiden merkityksellisyyttä kirjallisuuskatsauksen näkökulmasta. Mikäli julkaisu täyttää ensimmäisen vaiheen kriteerit, käydään se läpi uudelleen koko tekstin osalta ja uudelleenarvioidaan sen merkityksellisyyden ja tuoman lisäarvon osalta.
Scopus-tietokannassa tehdyn kirjallisuushaun perusteella tuli esille 513 julkaisua, joista 135 läpäisi ensimmäisen vaiheen ja 64 toisen vaiheen. Yleisin tulos kirjallisuuden perusteella on magnesiumseoksen korroosioasteen riippuvuus raekoosta. Mitä pienempi raekoko on, sitä enemmän parannetaan anodista kinetiikkaa, jonka myötä parannetaan magnesiumseoksen korroosionkestävyyttä. Lisäksi yksittäisistä alkuaineista esiin nousi erityisesti zirkoniumin vaikutus Mg-Ca-Zn seoksissa. Alle 1 paino-%: n zirkoniumlisäys pienentää magnesiumseoksen raekokoa ja näin ollen pienentää sen korroosioastetta. Sen sijaan, kuparille, raudalle ja nikkelille ei löydetty erityisiä vaikutuksia magnesiumseoksessa, eikä kirjallisuushaun julkaisuissa olevissa tutkimuksissa ollut juurikaan käytetty magnesiumseoksia, joihin olisi lisätty kyseisiä alkuaineita. Täten voidaan olettaa, ettei niillä ole ainakaan merkityksellistä hyötyä magnesiumseosten ominaisuuksien kannalta.
Magnesiumseoksen korroosiokäyttäytyminen on hyvin monitahoinen ja tulevaisuudessa tulisi vielä selvittää entistä tarkemmin esimerkiksi erilaisten pinnoitteiden ja valmistusmenetelmien merkitys Mg-Ca-Zn seoksen mikrorakenteen, mekaanisten ominaisuuksien ja hajoamiskäyttäytymisen kannalta.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8798]