Исследователи из IMDEA Materials совместно с Институтом науки о поверхности Helmholtz-Zentrum Hereon и компанией Meotec GmbH провели первое в истории сравнение коррозионной стойкости магниевых и цинковых биосплавов, изготовленных методом экструзии и аддитивного производства.
Исследование, открывающее путь к более безопасным и долговечным биоразлагаемым имплантатам, показало, что обработка поверхности методом плазменно-электролитического окисления (ПЭО) улучшает коррозионную стойкость всех протестированных образцов.
Впервые в области биоабсорбируемых металлов исследователи провели новаторское сравнение коррозионной стойкости сплавов WE43 (магний) и Zn1Mg (цинк), изготовленных методом экструзии и лазерной порошковой наплавки (LPBF).
Статья опубликована в журнале Surface and Coatings Technology. В исследовании впервые использовались электрохимические испытания в забуференном физиологическом растворе для сравнения того, как эти два способа производства влияют на деградацию клинически значимых биоразлагаемых металлов.
«Насколько нам известно, это первый случай, когда эти два метода производства были сопоставлены с точки зрения коррозионной стойкости для этих материалов», — сказал первый автор Гильермо Домингес.
Результаты показывают, что образцы, изготовленные методом LPBF, корродировали значительно быстрее, чем их экструдированные аналоги. В сплаве WE43 это было связано с частицами оксида иттрия, присутствующими в образцах LPBF, которые ослабляли защитный эффект коррозионного слоя.
В сплаве Zn1Mg более высокая скорость коррозии образцов LPBF была связана с увеличением объёма эвтектических фаз, что ускорило микрогальваническую деградацию.
Эвтектическая фаза — это микроструктурная особенность, образующаяся при затвердевании двух элементов в определённом соотношении и температуре. Увеличение объёма эвтектических фаз создаёт больше интерфейсов с матрицей Zn, образуя многочисленные микрогальванические элементы, которые ускоряют локальную коррозию. Это ускоряет общую деградацию материала.
Чтобы противодействовать этому, команда применила обработку поверхности методом плазменно-электролитического окисления (ПЭО).
«Для повышения коррозионной стойкости к образцам был применён процесс ПЭО», — пояснил Домингес. «Эта обработка сформировала ожидаемый оксидный слой, который улучшил защиту всех протестированных материалов по сравнению с их необработанными аналогами».
Интересно, что для Zn1Mg образцы LPBF фактически превзошли экструдированные после обработки ПЭО.
«Однако образцы WE43MEO LPBF показали высокую скорость коррозии, несмотря на обработку ПЭО, что было связано с неоднородностью толщины оксидного слоя», — добавил он.
Это различие было связано с фосфорсодержащими защитными слоями, образовавшимися во время модификации поверхности, что привело к более высокому содержанию фосфора в слое ПЭО LPBF, что способствовало формированию инертных фосфатных фаз, стабилизирующих защитный оксидный слой.
Экспериментальная часть исследования была проведена Домингесом во время исследовательской стажировки в Институте науки о поверхности Helmholtz-Zentrum Hereon в рамках проекта Horizon Europe BIOMET4D, координируемого Институтом материалов IMDEA.
Образцы были изготовлены партнёрами проекта, компанией Meotec GmbH, а сотрудничество с отделом функциональных поверхностей доктора Карстена Блаверта в Hereon предоставило доступ к современному оборудованию для электрохимических испытаний.
Контролируя способы изготовления и обработки этих материалов, исследователи могут оптимизировать их поведение внутри организма, снижая риски и улучшая результаты лечения пациентов.
Предоставлено IMDEA Materials