Abbauverhalten degradierbarer Magnesiumlegierungen in körperähnlichen Elektrolyten

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2011-10-05
Issue Year
2011
Authors
Schrenk, Sebastian
Editor
Abstract

Magnesium and its alloys are promising materials for biodegradable implants due to their physiological and mechanical properties. This work analyzes the behavior of the magnesium alloy WE43 (Y: 3.7 – 4.3 wt.-%, RE: 2.4 – 4.4 wt.-%, Zr: min. 0.4 wt.-%) in different simulated body fluids. It therefore provides a basis for in-vitro-methods to investigate the degradation kinetics of biodegradable magnesium materials. In SBF-H (simulated body fluid with HEPES) the formation of a corrosion layer is observed. EDX- (energy dispersive X-ray) and XRD-methods (X-ray diffraction) of the corrosion layer reveal that it is highly amorphos and contains Ca and P. FTIR (fast Fourier transform infrared spectroscopy) shows that its composition is comparable to the precipitation layers deposited on titanium immersed in simulated body fluids. SEM- (scanning electron microscopy) and EDX-analysis of cross-sections further reveal a heterogeneous structure and a conversion character of the corrosion layer formed in SBF-electrolytes. The corrosion mechanism of the WE43 alloy is dominated by microgalvanic processes. Cathodic centers were identified by pH-sensitive fluorescence microscopy. A subsequent EDX-analysis shows that these cathodic centers are Zr-rich regions and Zr-precipitates. With these results it was possible to correlate local corrosion processes of magnesium materials in simulated body fluids with the inner structure of the corrosion layer for the first time. The properties of the corrosion layer are dependend on the local pH value. In surface areas with increased pH Ca- and P-rich structures are formed. They act as transport barriers and thus protect the surrounding matrix. Furthermore enhanced methods for in-vitro corrosion testing were developed by using improved simulated body fluids which ensure a stable electrolyte composition and pH value over a period of several days. One approach is to dissolve the open buffer system CO2-HCO3^– in an equilibrium concentration under atmospheric conditions instead of the physiological concentration. A second approach is to adjust the partial pressure of CO2 during corrosion testing in order to stabilize the HCO3^– concentration at the physiological value.

Abstract

Magnesium und seine Legierungen sind aufgrund ihrer physiologischen und mechanischen Eigenschaften ein sehr aussichtsreiches Material als Basis für biodegradierbare Implantate. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Verhalten der Magnesiumlegierung WE43 (Y: 3.7 – 4.3 Gew.-%, RE: 2.4 – 4.4 Gew.-%, Zr: min. 0.4 Gew.-%) in körperähnlichen Modellelektrolyten und schafft damit die Grundlage für die in-vitro-Analyse der Degradationskinetik biodegradierbarer Magnesiumwerkstoffe. In SBF-H (Simulated Body Fluid mit HEPES) wird die Ausbildung einer Korrosionsschicht beobachtet. Analysen mittels energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX) und Röntgendiffraktometrie (XRD) zeigen, dass es sich um eine höchst amorphe, Ca- und P-haltige Schicht handelt. Wie FTIR-Spektren (Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie) zeigen, ist sie in ihrer Zusammensetzung vergleichbar mit Ablagerungen, die sich auf Titanlegierungen in SBF bilden. REM-Aufnahmen (Rasterelektronenmikroskopie) und EDX-Analysen von Querschliffen ausgelagerter Proben lassen eine heterogene Struktur der Korrosionsschicht sowie die Charakteristik einer Konversionsschicht erkennen. Der Korrosionsmechanismus von WE43 ist geprägt von lokalen Korrosionsphänomenen. Mittels pH-sensitiver Fluoreszenzmikroskopie wurden kathodische Zentren in der Legierungsmatrix nachgewiesen, welche in einer anschließenden EDX-Analyse als Zr-reiche Bereiche bzw. als Zr-Ausscheidungen identifiziert werden konnten. Im Zuge dessen wurde erstmals eine gegenseitige Beeinflussung des Korrosionsverhaltens von Magnesiumwerkstoffen und dem Schichtbildungsprozess in körperähnlichen Elektrolyten nachgewiesen. Es wurde gezeigt, dass die Eigenschaften der Korrosionsschicht vom lokalen pH-Wert abhängig sind. In Bereichen mit hohem pH-Wert bilden sich Strukturen mit höherem Ca- und P-Gehalt, die korrosionshemmend wirken und somit die umliegende Legierungsmatrix schützen. Des Weiteren wurden in der vorliegenden Arbeit Ansätze für neue in-vitro-Analytikmethoden mit körperähnlichen Modellsystemen entwickelt, die stabile Elektrolyte und damit konstante pH-Bedingungen über längere Zeiträume von mehreren Tagen sicherstellen. Ein Ansatz ist, das offene CO2-HCO3^– -Puffersystem nicht in physiologischer Konzentration zu lösen, sondern in einer Konzentration, die dem Gleichgewicht an Atmosphäre entspricht. Ein zweiter Ansatz besteht in der Anpassung des Partialdruckes von CO2 in der Umgebung, sodass eine physiologische HCO3^– -Konzentration im Elektrolyten gewährleistet ist.

DOI
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