Biodegradable coating development and analysis for a WE43 Mg alloy with focus on corrosion, surface analysis and biocompatibility

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2021-07-26
Issue Year
2021
Authors
Höhlinger, Michael
Editor
Abstract

Since elemental magnesium was isolated by Sir Humphrey Davy in 1808 it was used for the first time for a medical application in the form of a wire to seal blood vessels in the year 1878 by the physician Edward C. Huse. In recent years, research has been focused more intensively on this very special and reactive metallic material. The major advantage is its biocompatibility combined with biodegradability which spares the necessity of a second surgery if applied as a bone replacement material. Disadvantages are the (initially) too high corrosion speed and the therefore resulting hydrogen evolution. In clinical in vivo studies with magnesium-based implants, gas formation underneath the skin has been reported to be an issue as well as fast alkalization of the surrounding tissue. Until now, a limited number of licensed medical products such as stents are commercially available and being used. A way to overcome the aforementioned issues is to apply coatings to magnesium and its alloys to reduce and adapt the corrosion rate. Alloying itself is already part of the strategy to control the corrosion behaviour and to reduce corrosion. In this doctoral thesis and the research presented in the following chapters, a WE43 magnesium alloy containing approximately 3.6 wt% Y, 3.4 wt% Nd and 0.1 wt% Zr was used. Apart from applications in the automotive and aerospace industry, WE43 has been also proven to possess desirable properties as bone screws and cardiovascular stents in medical applications. As a first step the alloy itself was investigated to collect information about the metallurgical microstructure of the extruded rods. Subsequently, one of the aims was to make this alloy accessible to the advanced coating method of electrophoretic deposition (EPD). This was not only to tailor the corrosion speed but also to functionalize the surface using bioactive 45S5 glass in co-deposition with the biopolymer chitosan. This method allows fast coating procedures even for complex geometries at room temperature while the coating thickness can amongst other parameters be controlled by current and voltage. The main obstacle in the practical application with EPD on WE43 were the aggressive conditions during the coating process given by the acidity of the chitosan-bioactive glass (Ch-BG) solution and the applied current. This circumstance was solved by a biocompatible Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium (DMEM) pre-treatment which enabled the WE43 sample to withstand those conditions for a short time to enable homogeneous deposition. The biopolymer chitosan was chosen for the co-deposition with bioactive 45S5 glass since it is biodegradable, biocompatible, and even slightly antibacterial. Besides this pre-treatment, more coating types such as HF-, NaOH- and II CaP- coating were developed which can also be partly used in combination with EPD for the Ch-BG deposition. Those coatings and the bare WE43 alloy were then further investigated for their electrochemical properties under different conditions and as well their surface chemistry and thicknesses. Apart from the pre-treatment with DMEM, the hydrothermally grown sodium hydroxide (NaOH)- coating and the hydrofluoric acid (HF)- coating were in the focus of the here presented scientific experiments. Further aspects of the corrosion behaviour of those respective treatments were investigated in immersion tests using fetal bovine serum (FBS) to understand how the presence of proteins would possibly alter the degradation speed. This led to the discovery of a special time-dependent component of the corrosion scenario. Based on these findings different mechanistic explanatory models for the material degradation were created. Another series of experiments focused on long term immersion tests of differently coated WE43 samples and on the determination of the reliability of different experimental approaches in terms of determining the corrosion rate. The first estimations of the corrosion rate were conducted by electrochemical measurements before the immersion and the deviations between those results and the measured mass loss after the immersion tests were discussed. It turned out that a combined approach of independent methods is the best way to get reliable results concerning the long-term corrosion behaviour. Especially the gravimetric hydrogen collection method proved to be reliable, although deviations between this method and the mass loss data obtained chromic acid etching occurred. In addition to the static experiments, a bioreactor in an atmosphere- and temperature-controlled incubator helped to simulate the perfusion of blood in an implant application for the developed coatings. Finally, tests using osteoblast-like MG-63 cells with the coated and uncoated WE43 alloy served as a tool to gain insights into the cell response and biocompatibility. During these experiments it could be shown that the standard cell viability test based on the reduction of alamarBlue is prone to the interference of magnesium ions. A semi-quantitative Bradford assay was used to overcome this obstacle.

Abstract

Seit elementares Magnesium erstmals von Sir Humphrey Davy im Jahre 1808 isoliert wurde, wurde es erstmalig im Jahre 1878 für eine medizinische Anwendung in Form eines Drahtes, um Blutgefäße zu verschließen, von dem Arzt Edward C. Huse benutzt. In den letzten Jahren und Jahrzehnten konzentrierte sich die Forschung noch intensiver auf dieses sehr besondere und reaktive metallische Material. Der größte Vorteil ist seine Biokompatibilität, die mit biologischer Abbaubarkeit kombiniert ist, was die Notwendigkeit einer zweiten Operation erspart, wenn es als Knochenersatzmaterial genutzt wird. Nachteile sind die (anfänglich) zu hohe Korrosionsgeschwindigkeit und die daraus resultierende Wasserstoffentwicklung. In klinischen in vivo Studien mit magnesiumbasierten Implantaten konnte gezeigt werden, dass Gasbildung unter der Haut ebenso wie eine schnelle Alkalisierung des umliegenden Gewebes problematisch sind. Bis jetzt steht nur eine begrenzte Anzahl an zugelassenen medizinischen Produkten wie zum Beispiel Stents kommerziell zur Verfügung und wird auch genutzt. Ein Weg, die zuvor beschriebenen Probleme zu überwinden, ist das Aufbringen von Beschichtungen auf Magnesium und seine Legierungen, um die Korrosionsrate zu reduzieren und anzupassen. Das Legieren an sich ist bereits Teil der Strategie, um das Korrosionsverhalten zu kontrollieren und die Korrosion zu reduzieren. In dieser Doktorarbeit und den in den folgenden Kapiteln vorgestellten Forschungsarbeiten wird eine WE43 Magnesiumlegierung, die ca. 3,6 wt% Y, 3,4 wt% Nd sowie 0,1 wt% Zr enthält, benutzt. Neben Anwendungen in der Automobil- sowie Luft- und Raumfahrtindustrie hat die WE43 Legierung auch vorteilhafte Eigenschaften als Knochenschrauben und kardiovaskuläre Stents in medizinischen Anwendungen gezeigt. Als erster Schritt wurde die Legierung untersucht, um Informationen über die metallurgischen Mikrostrukturen der stranggepressten Stäbe zu gewinnen. Im Anschluss daran war eines der Ziele, diese Legierung für eine fortschrittliche Beschichtungsmethode, die elektrophoretische Abscheidung (EPD) genannt wird, zugänglich zu machen, um mit deren Hilfe nicht nur die Korrosionsgeschwindigkeit anzupassen, sondern auch die Oberfläche mit bioaktivem 45S5 Glas bei simultaner Abscheidung mit dem Biopolymer Chitosan zu funktionalisieren. Diese Methode ermöglicht auch für komplexe Geometrien schnelle Beschichtungsprozesse bei Raumtemperatur, wobei die Beschichtungsdicke neben anderen Parametern durch Stromfluss und angelegte Spannung kontrolliert werden können. Das Hauptproblem in der praktischen Durchführung mit EPD auf WE43 waren die aggressiven Bedingungen während des Beschichtungsprozesses, die durch die saure Lösung IV der Chitosan-bioaktives Glas (Ch-BG) Lösung gegeben waren, sowie durch Stromfluss. Dieser Umstand wurde durch eine Vorbehandlung mit biokompatiblem Dulbecco’s Modified Eagle‘s Medium (DMEM) gelöst, die es den WE43 Proben ermöglichte, diesen Bedingungen für einen kurzen Zeitraum standzuhalten, um eine homogene Abscheidung zuzulassen. Das Biopolymer Chitosan wurde für die gemeinsame Abscheidung mit bioaktivem 45S5 Glas ausgewählt, da es biologisch abbaubar, biokompatibel und sogar leicht antibakteriell wirkt. Neben dieser Vorbehandlung wurden weitere Beschichtungsarten wie HF-, NaOH- und CaP-Beschichtung entwickelt, die teilweise auch in Kombination mit EPD für die Ch-BG Abscheidung genutzt werden können. Diese Beschichtungen, als auch die unbehandelte WE43 Legierung selbst, wurden dann weiter hinsichtlich ihrer elektrochemischen Eigenschaften unter verschiedenen Bedingungen untersucht ebenso wie die dazugehörige Oberflächenchemie und Schichtdicken. Neben der DMEM Vorbehandlung standen die hydrothermal erzeugte Natriumhydroxid (NaOH-) Beschichtung und die Flusssäure (HF-) Beschichtung besonders im Mittelpunkt der hier vorgestellten wissenschaftlichen Experimente. Weitere Aspekte des Korrosionsverhaltens der entsprechenden Behandlungen wurden in Immersionsversuchen mit fötalem Kälberserum (FBS) untersucht, um zu verstehen, wie die Anwesenheit von Proteinen möglicherweise die Korrosionsgeschwindigkeit beeinflussen würde. Dies führte zur Entdeckung einer besonderen zeitabhängigen Komponente im Korrosionsgeschehen. Basierend auf diesen Erkenntnissen entstanden verschiedene mechanistische Erklärungsmodelle zur Materialzersetzung. Bei einer weiteren Versuchsreihe lag der Schwerpunkt auf Langzeit-Immersionsversuchen von unterschiedlich beschichteten WE43 Proben und auf der Bestimmung der Verlässlichkeit der verschiedenen experimentellen Ansätze zur Bestimmung der Korrosionsgeschwindigkeit. Erste Abschätzungen zur Korrosionsrate wurden vor den Immersionstests mithilfe elektrochemischer Messungen durchgeführt und die Abweichungen zwischen diesen Ergebnissen und dem gemessenen Masseverlust nach den Immersionstests wurden diskutiert. Es stellte sich heraus, dass ein kombinierter Ansatz von unabhängigen Methoden die beste Art ist, um zuverlässige Ergebnisse bezüglich des Langzeit-Korrosionsverhaltens zu erhalten. Insbesondere die Methode der gravimetrischen Wasserstoffmessung stellte sich als besonders zuverlässig heraus, obwohl es Abweichungen zwischen dieser Methode und den durch Chromsäureätzung gewonnen Daten zum Masseverlust gab. Zusätzlich zu den statischen Experimenten wurde mithilfe eines Bioreaktors unter kontrollierter Atmosphäre und Temperatur die Perfusion von Blut bei implantiver Anwendung für die entwickelten V Beschichtungen simuliert. Schließlich dienten Versuche unter Nutzung von Osteoblasten ähnelnden MG-63 Zellen mit der beschichteten und unbeschichteten WE43 Legierung als Mittel um Einblicke in die Zellreaktion und Biokompatibilität zu erhalten. Im Rahmen dieser Experimente konnte auch gezeigt werden, dass der auf der Reduktion des alamarBlue Farbstoffes basierende Standard-Zellviabilitätstest anfällig für den Störeinfluss durch Magnesiumionen ist. Um dieses Hindernis zu überwinden wurde ein semiquantitativer Bradford-Test durchgeführt.

DOI
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