Magnesium als Implantatwerkstoff
Struktur und mechanische Eigenschaften einer Mn-Zn-Zr-Legierung verformt durch High Pressure Torsion Extrusion
Magnesium ist der leichteste metallische Konstruktionswerkstoff mit ρ = 1,74 g/cm3 und wird als Legierung im Automobilbereich und Flugzeugbau verwendet. Ein weiteres Einsatzgebiet von Magnesiumlegierungen ist der Medizinbereich, wo es in Form von Stents und Implantaten (Abb.1) zum Einsatz kommt, wobei Magnesium sich durch eine gute Biokompatabilität und mechanische Eigenschaften ähnlich denen von Knochen auszeichnet [2,3]. Die geringe Korrosionsbeständigkeit von Magnesium kann hier ausgenutzt werden. Wenn diese richtig kontrolliert wird, können Implantate aus Magnesiumlegierungen bioresorbierbar werden, sich also im Körper auflösen, nachdem sie ihren Zweck erfüllt haben [2,3]. Die Korrosionsbeständigkeit kann durch Legierungszusätze, die Herstellungsroute und die Mikrostruktur beeinflusst werden [4]. Ein Weg, um die Duktilität und Festigkeit einer Magnesiumlegierung zu steigern und Einfluss auf die Mikrostruktur zu nehmen, sind massive plastische Verformungsprozesse (Severe Plastic Deformation (SPD)) [5].
In dem Projekt wird die Magnesiumlegierung ZK30 mittels High Pressure Torsion Extrusion (HPTE, s.a. Abb.2) [6] unter definierten Bedingungen verformt werden, um dadurch ein feinkörniges Gefüge zu erzeugen. Die so erzeugten Proben werden anschließend auf ihre Langzeitfestigkeit und ihr Korrosionsverhalten hin untersucht. Dazu kommen statische und zyklische 3-Punkt-Biegeversuchen mit und ohne Überlagerung von Korrosion zum Einsatz. Als Elektrolyte dienen hier NaCl und phosphatgepufferte Salzlösung (engl. phosphate-buffered saline (PBS)). PBS ist mit seinen Bestandteilen näher an Körperflüssigkeiten als NaCl. Mit den Ergebnissen werden Indikationen gesammelt, ob die Legierung ZK30 verformt über die entsprechenden Herstellungsrouten durch HPTE für bioresorbierbare Implantate geeignet ist.
Literatur:
[1] R. Biber, J. Pauser, M. Brem, H.J. Bail, Bioabsorbable metal screws in traumatology: A promising innovation, Trauma Case Reports 8 (2017), pp. 11-15, dx.doi.org/10.1016/j.tcr.2017.01.012
[2] M.P. Staiger, A.M. Pietak, J. Huadmai, G. Dias, Magnesium and its alloys as orthopedic biomaterials: A review, Biomaterials 27 (2006), pp. 1728-17334, doi.org/10.1016/j.biomaterials.2005.10.003
[3] Y. Chen, Z. Xu, C. Smith, J. Sankar, Recent advances on the development of magnesium alloys for biodegradable implants, Acta Biomaterialia 10 (2014), pp. 4561-4573, dx.doi.org/10.1016/j.actbio.2014.07.005
[4] C. op’t Hoog, N. Birbilis, M.-X. Zhang, Y. Estrin, Surface grain size effects on the corrosion of magnesium, Key Eng. Mat. 384 (2008), pp 229-240, doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.384.229
[5] A. Vinogradov, Effect of severe plastic deformation on tensile and fatigue properties of fine-grained magnesium alloy ZK60, J. Mater. Res. 32 (2014), pp. 4362-4374, doi.org/10.1557/jmr.2017.268
[6] Y. Ivanisenko, R. Kulagin, V. Fedorov, A. Mazilkin, T. Scherer, B. Baretzky, H. Hahn, High Pressure Torsion Extrusion as a new severe plastic deformation process, Mater. Sci. Eng. 644 (2016), pp. 247-256, doi.org/10.1016/j.msea.2016.04.008
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