Advanced

Degradation of model biomedical Mg alloys in aqueous media

Viklund, Max LU (2020) FKMM01 20201
Materials Engineering
Abstract
This project investigates the influence of alloying elements, heat treatment and
corrosion medium on the corrosion rates of three magnesium alloys Mg-5Zn, Mg0.27Ca, and Mg-0.27Ca-5Zn for use in bio-medical applications. A new method
combining isothermal calorimetry and pressure measurements was used as a prime
experimental tool in this investigation.
Material samples were tested in a physiological 0.9 wt.% NaCl solution and modified
simulated body fluid (m-SBF) that mimic the concentrations of Cl– and other ions in
human blood plasma.
Corrosion resistance generally improves with the material heat treatment when supersaturated solid solution is formed, and corrosion medium promotes passivation of a
protective film from degradation... (More)
This project investigates the influence of alloying elements, heat treatment and
corrosion medium on the corrosion rates of three magnesium alloys Mg-5Zn, Mg0.27Ca, and Mg-0.27Ca-5Zn for use in bio-medical applications. A new method
combining isothermal calorimetry and pressure measurements was used as a prime
experimental tool in this investigation.
Material samples were tested in a physiological 0.9 wt.% NaCl solution and modified
simulated body fluid (m-SBF) that mimic the concentrations of Cl– and other ions in
human blood plasma.
Corrosion resistance generally improves with the material heat treatment when supersaturated solid solution is formed, and corrosion medium promotes passivation of a
protective film from degradation products. For instance, Mg-5Zn alloy in m-SBF
exhibits the lowest corrosion rate. The level of the solution pH also affects the kinetics
of corrosion reaction, but the effect depends on a specific material composition. (Less)
Abstract (Swedish)
Detta projekt undersöker inflytandet av legeringskomposition, korrosionsmedium, och
värmebehandling på korrosionshastigheten av tre magnesiumlegeringar; Mg-5Zn, Mg0.27Ca, and Mg-0.27Ca-5Zn, för användning inom biomedicinska tillämpningar. En ny
metod som kombinerar isoterm kalorimetri med tryckmätningar var det huvudsakliga
mätinstrumentet som tillämpades i denna undersökning.
Materialprover testades i fysiologisk 0.9 v-% NaCl-lösning och modified simulated
body fluid (m-SBF), som har motsvarande jonkoncentrationer som mänsklig
blodplasma.
Korrosionsbeständighet ökade generellt med värmebehandling då en supermättad
fast lösning uppstår, och korrosionsmedium främjar passivering genom en skyddande
film bestående av... (More)
Detta projekt undersöker inflytandet av legeringskomposition, korrosionsmedium, och
värmebehandling på korrosionshastigheten av tre magnesiumlegeringar; Mg-5Zn, Mg0.27Ca, and Mg-0.27Ca-5Zn, för användning inom biomedicinska tillämpningar. En ny
metod som kombinerar isoterm kalorimetri med tryckmätningar var det huvudsakliga
mätinstrumentet som tillämpades i denna undersökning.
Materialprover testades i fysiologisk 0.9 v-% NaCl-lösning och modified simulated
body fluid (m-SBF), som har motsvarande jonkoncentrationer som mänsklig
blodplasma.
Korrosionsbeständighet ökade generellt med värmebehandling då en supermättad
fast lösning uppstår, och korrosionsmedium främjar passivering genom en skyddande
film bestående av degraderingsprodukter. Till exempel, Z5-legering i m-SBF
uppvisade lägst korrosionshastighet. Värdet av pH i testlösningen visades påverka
korrosionsprocessens reaktionskinetik, men effekten skilde sig mellan de olika
legeringskompositionerna. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Magnesium är en metall med många intressanta egenskaper. Med hänsyn till sin lätta
vikt, och relativt låga pris har magnesium länge varit intressant ur ett
materialperspektiv. Det stora hindret för tillämpningen av magnesium som
konstruktionsmaterial är dess dåliga korrosionsbeständighet, d.v.s. magnesium
reagerar med både luft och vatten och bryts ned väldigt lätt. Med det i åtanke har en
ny typ av biomedicinska implantat för behandling av benbrott, tillverkade i magnesium,
börjat undersökas. Magnesium är väldigt biokompatibelt; det är inte giftigt eller skadligt
i människokroppen, och löser upp sig fort. Dagens implantat, ofta gjorda av stål eller
titan, måste opereras ut igen efter det att benet läkt. Dessa magnesium-baserade
... (More)
Magnesium är en metall med många intressanta egenskaper. Med hänsyn till sin lätta
vikt, och relativt låga pris har magnesium länge varit intressant ur ett
materialperspektiv. Det stora hindret för tillämpningen av magnesium som
konstruktionsmaterial är dess dåliga korrosionsbeständighet, d.v.s. magnesium
reagerar med både luft och vatten och bryts ned väldigt lätt. Med det i åtanke har en
ny typ av biomedicinska implantat för behandling av benbrott, tillverkade i magnesium,
börjat undersökas. Magnesium är väldigt biokompatibelt; det är inte giftigt eller skadligt
i människokroppen, och löser upp sig fort. Dagens implantat, ofta gjorda av stål eller
titan, måste opereras ut igen efter det att benet läkt. Dessa magnesium-baserade
implantat skulle lösas upp allt eftersom benvävnaden växer tillbaka, och därmed
undvika riskerna och kostnaderna associerade med den andra operationen.
Rent magnesium löser dock upp sig för fort, och försvinner innan skadan har hunnit
läka. Därmed undersöktes olika metoder för att påverka korrosionshastigheten i detta
projekt. Dels undersöktes olika legeringar, d.v.s. blandningar av magnesium med
andra metaller, i detta fall zink och kalcium. Dessa metaller är precis som magnesium
ekonomiska och biokompatibla. Inverkan av legeringarnas så kallade mikrotillstånd på
korrosionshastighet undersöktes också.
När en legering gjuts bildas mikroskopiska regioner av olika kompositioner i metallen.
Dessa regioner agerar i praktiken som elektroder, och bildar massvis av små batterier,
och påskyndar korrosionsreaktionen. Genom att värma upp legeringen till en viss
temperatur så löser dessa regioner upp sig, och resultatet är ett homogent material,
som i teorin borde uppvisa bättre korrosionsbeständighet.
Eftersom planen är att tillämpa dessa material som implantat, är det relevant att testa
dem under förhållanden liknande de i kroppen. Därmed togs två olika testlösningar
fram; en lösning med 9 vikt-procent NaCl, vilket används som en standard inom
biomedicinsk forskning, och simulated body fluid, som härmar jonhalterna i
blodplasma.
När magnesium korroderar frigörs värme och vätgas. Om två prov placeras i en
kalorimeter, ett prov där reaktionen sker och ett utan, kan mängden värme mätas.
Kalorimetern håller båda proven vid samma temperatur, så effekten som krävs för att
kyla det reagerande provet är lika med värmen som frigörs. Om trycket av den frigjorda
vätgasen mäts kan mängden av reagerat magnesium beräknas. Kombinationen av
dessa två metoder utgör grunden för analysen av provens korrosionsegenskaper i
detta projekt. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Viklund, Max LU
supervisor
organization
course
FKMM01 20201
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Magnesium, alloys, bio-materials, implants, corrosion, isothermal calorimetry
other publication id
ISRN LUTFD2/TFMT--20/5063--SE
language
English
id
9006339
date added to LUP
2020-03-13 10:21:01
date last changed
2020-03-13 10:21:01
@misc{9006339,
  abstract     = {This project investigates the influence of alloying elements, heat treatment and
corrosion medium on the corrosion rates of three magnesium alloys Mg-5Zn, Mg0.27Ca, and Mg-0.27Ca-5Zn for use in bio-medical applications. A new method
combining isothermal calorimetry and pressure measurements was used as a prime
experimental tool in this investigation.
Material samples were tested in a physiological 0.9 wt.% NaCl solution and modified
simulated body fluid (m-SBF) that mimic the concentrations of Cl– and other ions in
human blood plasma.
Corrosion resistance generally improves with the material heat treatment when supersaturated solid solution is formed, and corrosion medium promotes passivation of a
protective film from degradation products. For instance, Mg-5Zn alloy in m-SBF
exhibits the lowest corrosion rate. The level of the solution pH also affects the kinetics
of corrosion reaction, but the effect depends on a specific material composition.},
  author       = {Viklund, Max},
  keyword      = {Magnesium,alloys,bio-materials,implants,corrosion,isothermal calorimetry},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Degradation of model biomedical Mg alloys in aqueous media},
  year         = {2020},
}