Biodegradowalne stopy na bazie Mg

Biodegradowalne stopy na bazie Mg

Stopami magnezu wykorzystywanymi w produkcji implantów są stopy: Mg-Al-Zn, Mg-Y-Nd, Mg-Zn, Mg-Al-Mn, Mg-Al, Mg-Gd, Mg-Sn, Mg-Zn-Ca. Jednak ze względu na bardzo niekorzystny wpływ niektórych z tych pierwiastków, np. Al i Sn, które powodują uszkodzenie układu nerwowego, poszukuje się stopów z ograniczoną zawartością szkodliwych elementów lub takich, które w ogóle ich nie zawierają. Jednym z głównych dodatków stopowych do Mg jest Al, które poprawia odporność korozyjną, zwiększa własności mechaniczne oraz polepsza lejność tych stopów. Jednak ze względu na szkodliwość Al stosuje się stopy z niewielką jego zawartością. Jako przykład można podać stop AZ31 (skład chemiczny stopu: 2,4-3,6% Al, 0,5-1,5% Zn, 0,15% Mn). Stop ten cechują granica plastyczności na poziomie 200 MPa i granica wytrzymałości na poziomie 255 MPa.

Jest również bardzo plastyczny, wydłużenie wynosi 12%. Bardzo istotne jest to, że stop ten wykazuje moduł Younga, który wynosi 40 GPa, a jest to wartość bardzo zbliżona do wartości modułu Younga kości ludzkiej (wartość modułu Younga dla kości wynosi 10-30 GPa). Cynk jest drugim bardzo ważnym dodatkiem stopowym do stopów magnezu. Cynk poprawia własności mechaniczne stopów magnezu i zwiększa lejność tych stopów. Jednak ze względu na bardzo małą rozpuszczalność Zn w Mg przy większej zawartości Zn (powyżej 1% wg.) tworzą się fazy międzymetaliczne, które przyspieszają procesy korozji. Metale ziem rzadkich (ang. Rare Earth Metals – REM) również poprawiają własności mechaniczne i odporność korozyjną oraz zwiększają odporność na pełzanie stopów magnezu.

Stopem magnezu z dodatkiem Zn i RE przeznaczonym na implanty jest np. stop ZE41. Stop ten zawiera Zn w ilości 3,5-5% i RE w ilości 0,75-1,75%. Jest to stop o gorszych własnościach mechanicznych niż stop AZ31, bo jego granica plastyczności wynosi tylko 140 MPa, a granica wytrzymałości na rozciąganie – 205 MPa, ale ze względu na zawartość pierwiastków RE własności te utrzymują się w podwyższonych temperaturach. Moduł Younga jest również na poziomie 45 GPa. Innymi pierwiastkami, które stanowią dodatki stopowe do Mg stosowane na stopy na implanty, są Zr i Nd. Powstaje wtedy stop o składzie chemicznym: 2,2% Nd, 0,1% Zn, 0,4% Zr (oznaczany jako JDBM).

Neodym znacząco podnosi własności mechaniczne stopu, a Zr powoduje rozdrobnienie ziarna. Omawiany stop ma bardzo wysoką granicę plastyczności na poziomie 275 MPa i odkształcalność wynoszącą ponad 30%. Ponadto stop ten można obrabiać cieplnie według schematu T4 (schemat ten polega na przesycaniu i naturalnym starzeniu do uzyskania stabilnej struktury). Stop ten można również przerabiać plastycznie, np. przez wyciskanie. Stopami z grupy Mg-Ca są stopy o zawartości Ca od 0,4% do 4,5% wg.

Ca praktycznie w ogóle nie rozpuszcza się w Mg, stąd stopy z tej grupy wykazują dużą szybkość korozji, co stanowi spore wyzwanie dla inżynierów. Z drugiej jednak strony im większa jest zawartość Ca, tym wytrzymałość tych stopów znacząco wzrasta. Przy zawartości 4,0% Ca granica plastyczności wynosi 180 MPa, a granica wytrzymałości na rozciąganie jest na poziomie 240 MPa. Stopy te również wykazują dobrą plastyczność na poziomie ok. 10-12% przy niewielkiej zawartości Ca, która jednak spada do wartości 4% przy zawartości 4,0% wg. Ca. Dodatek cyny do stopów Mg powoduje zwiększenie plastyczności oraz zmniejsza podatność na pękanie podczas przeróbki plastycznej. Stopy magnezu zawierające Sn wykorzystywane na implanty to stopy z zawartością Zn na poziomie 4%.

Ilość cyny może się się zmieniać i mieści się w zakresie od 1,0 do 2,0%. Granica plastyczności tych stopów jest w zakresie 130-150 MPa, a granica wytrzymałości jest w zakresie 235-250 MPa. Plastyczność tych stopów jest na poziomie 20% wydłużenia. Własności mechaniczne stopów Mg wzrastają wraz z zawartością dodatków stopowych. Problemem jest jednak fakt ograniczonej rozpuszczalności innych pierwiastków w magnezie, w niektórych przypadkach nieprzekraczająca 1%.

Mała zawartość dodatków stopowych skutkuje gorszymi własnościami mechanicznymi, z drugiej jednak strony przy większej zawartości dodatków stopowych powstają fazy międzymetaliczne. W takim przypadku pojawiają się procesy galwaniczne, co niezwykle przyspiesza proces korozji. Skutkiem takiego biegu rzeczy jest skrócenie czasu pracy implantu i/lub narażenie go na zniszczenie przez zbytni ubytek materiałowy.