Processing and properties of a new biodegradable Mg−Zn−Ca−Zr alloy

• Published in: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik Vol. 50; no. 5; pp. 553 - 564
• Main Authors: Răducanu, D., Cojocaru, V.D., Șerban, N., Trişcă‐Rusu, C., Necula, M.G., Mudrac, R.A., Dan, I., Nocivin, A., Cinca, I.
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Weinheim Wiley Subscription Services, Inc 01.05.2019
• Subjects: Air cooling; Alloy development; Alloys; Biocompatibility; Biodegradability; Biological properties; Calcium; Chemical composition; Collection; Culture; Electron imaging; Extrusion; Heat treatment; in-vitro biocompatibility; in-vitro-Biokompatibilität; Magnesium alloys; Magnesium base alloys; Magnesiumlegierungen; Mechanical properties; mechanische Eigenschaften; microstructure; Mikrostruktur; Morphology; Organic chemistry; Physiological effects; Plastic deformation; Scanning electron microscopy; Surgical implants; Tensile tests; thermomechanical processing; Thermomechanical treatment; thermomechanische Verarbeitung; Zinc; Zirconium base alloys
• ISSN: 0933-5137; 1521-4052
• DOI: 10.1002/mawe.201800232

Magnesium alloys are used for degradable orthopaedic and cardiovascular implants due to their favourable mechanical and biological properties, degradation ability in physiological environment and stimulatory effect on the new bone formation. The research challenges are related to the increase of biological and mechanical compatibility. For the present study, a magnesium based alloy design was conducted to the following chemical composition: Mg−2.7Zn−1Ca−0.6Zr (wt.%). A complex thermomechanical processing route was applied: a plastic deformation by extrusion at various temperatures and deformation degrees (400 °C–480 °C, ϵ = 20 %–40 %), followed by various final heat treatments at 200 °C–400 °C for 10 min–60 min. Further, the influence of processing parameters upon the structure, mechanical properties and biological response was studied. Processed specimens were characterized by scanning electron microscopy (secondary electron imaging and energy dispersive spectroscopy) and mechanically by tensile tests. The most representative results were obtained for the samples extruded at 450 °C/ϵ = 20 %, followed by a final heat treatment at 350 °C/15 min, air cooling. Further, for samples which revealed promising results, in‐vitro testing was developed. Biocompatibility testing of the Mg−2.7Zn−1Ca−0.6Zr (wt.%) alloy was realized by indirect contact studies using the Vero (ATCC® CCL‐81™, American Type Culture Collection) cell line. Cells morphologies, cell viability and proliferation were evaluated. Translation Magnesiumlegierungen werden aufgrund ihrer günstigen mechanischen und biologischen Eigenschaften, ihrer Abbaubarkeit in physiologischer Umgebung und ihrer stimulierenden Wirkung auf die Knochenneubildung für abbaubare orthopädische und kardiovaskuläre Implantate verwendet. Die Forschungsherausforderungen beziehen sich auf die Erhöhung der biologischen und mechanischen Kompatibilität. Für die vorliegende Studie wurde ein Legierungsdesign auf Magnesiumbasis mit der folgenden chemischen Zusammensetzung durchgeführt: Mg−2,7Zn−1Ca−0,6Zr (Gew.‐%). Es wurde ein komplexer thermomechanischer Verarbeitungsweg angewendet: Eine plastische Verformung durch Extrusion bei verschiedenen Temperaturen und Verformungsgraden (400 °C–480 °C, ϵ = 20 %–40 %), gefolgt von verschiedenen abschließenden Wärmebehandlungen bei 200 °C–400 °C für 10 min–60 min. Ferner wurde der Einfluss von Verarbeitungsparametern auf die Struktur, die mechanischen Eigenschaften und die biologische Reaktion untersucht. Die verarbeiteten Proben wurden durch Rasterelektronenmikroskopie (Sekundärelektronenmikroskopie und energiedispersive Elementanalysen) und mechanisch durch Zugversuche charakterisiert. Die repräsentativsten Ergebnisse wurden für die bei 450 °C/ϵ = 20 % extrudierten Proben erhalten, gefolgt von einer abschließenden Wärmebehandlung bei 350 °C/15 min und Luftkühlung. Für Proben, die vielversprechende Ergebnisse zeigten, wurden in‐vitro‐Tests entwickelt. Die Prüfung der Biokompatibilität der Legierung Mg−2,7Zn−1Ca−0,6Zr (Gew.‐%) wurde durch indirekte Kontaktstudien unter Verwendung der Vero‐Zelllinie (ATCC® CCL‐81™, American Type Culture Collection) durchgeführt. Zellmorphologien, Zelllebensfähigkeit und Proliferation wurden bewertet.