The Effects of Ageing Heat Treatment on Performance Characteristics in Biodegradable Mg-Zn-Based Alloys

Abstract

Biodegradable magnesium alloys are promising candidates for orthopaedic implants due to their mechanical compatibility with bone and their bioresorbable nature. This study investigates the degradation behaviour of Mg-Zn-Zr-Ca alloys with varying zinc concentrations, focusing on how heat treatment and microstructure evolution influence corrosion resistance under physiologically relevant conditions.

The studied alloys underwent different processing routes: solid-solution treatments (homogenisation), extrusion, or peak-ageing at 150°C or 180°C. Furthermore, ageing heat treatment at 100°C was explored for its potential to enhance mechanical performance. Corrosion was evaluated through mass loss measurements after immersion in a bioreactor setup simulating physiological conditions, supplemented by surface analysis, to evaluate suitability for biomedical use. An alternative setup for immersion testing is isothermal calorimetry, which was used to propose a theoretical calorimetric model was proposed to estimate time-dependent degradation based on corrosion enthalpy data.

Results indicate that ageing increases corrosion rates compared to solid-solution state but remains within acceptable limits for orthopaedic applications. Microstructural features, shaped by zinc content and heat treatment history, were found to significantly impact corrosion behaviour. Early results also suggest that peak-ageing at 100°C improves hardness across all alloy types with different Zn concentrations – possibly surpassing the effects observed at higher ageing temperatures – highlighting its potential for the enhancement of mechanical properties. The calorimetric model offers a conceptual framework for future in situ degradation assessment. Overall, the findings underscore the importance of controlled thermal processing in tailoring both degradation and mechanical properties of magnesium-based biomaterials for orthopaedic use.

Popular Abstract (Swedish)

Implantat som bryts ner i kroppen – en lösning för framtidens benbrott

Tänk dig att du bryter benet och att skruven som håller det på plats försvinner av sig själv när benet läkt – utan en extra operation. Det kan bli verklighet med nedbrytbara metallimplantat.

Vid komplicerade benbrott används ofta metallimplantat för att stabilisera skelettet under läkningen. Dessa tillverkas traditionellt av material som förblir i kroppen om de inte opereras ut, vilket kan öka risken för komplikationer såsom infektioner, inflammation eller nedsatt belastningsförmåga.

En lösning som väcker allt större intresse är nedbrytbara metallimplantat – material som ger stöd under läkningen men därefter gradvis löses upp i kroppen. Därmed undviks behovet av en andra operation. För att vara kliniskt användbara måste dessa material ha både tillräcklig hållfasthet och en kontrollerad nedbrytningstakt.

Magnesiumlegeringar – där magnesium kombineras med ämnen som zink, kalcium eller zirkonium – har visat särskilt stor potential tack vare sin goda biologiska kompatibilitet och mekaniska egenskaper. I detta examensarbete undersöktes hur olika zinkinnehåll och värmebehandlingar påverkar nedbrytningen och hållfastheten hos sådana legeringar under kroppsliknande förhållanden.

De studerade legeringarna genomgick olika behandlingar, inklusive homogenisering, extrusion och åldring – en typ av värmebehandling – vid temperaturerna 150 °C och 180 °C. Även en lägre åldringsbehandling vid 100 °C studerades med avseende på de mekaniska egenskaperna. Nedbrytningen bedömdes genom massförlustmätningar i en bioreaktor som simulerar kroppens miljö, kompletterat med ytanalyser. Dessutom presenterades en teoretisk modell för att uppskatta nedbrytning baserat på värmeutveckling vid korrosion.

Resultaten visade att extra värmebehandling ökade korrosionshastigheten jämfört med det mindre behandlade materialet, men att samtliga varianter låg inom godtagbara gränser för ortopedisk användning. Materialets mikrostruktur – som påverkas av både zinkinnehåll och värmebehandling – hade tydlig inverkan på nedbrytningsförloppet. Den lägre åldringstemperaturen (100 °C) visade dessutom tecken på att kunna ge högre hårdhet än de högre temperaturerna, vilket är intressant ur ett mekaniskt perspektiv. Den teoretiska modellen baserad på korrosionsentalpi kan utgöra ett verktyg för framtida forskning kring realtidsbedömning av nedbrytning, även om den inte verifierades i denna studie.

Sammanfattningsvis så belyser resultaten vikten av kontrollerad värmebehandling för att skräddarsy både nedbrytning och hållfasthet hos magnesiumbaserade material för användning i ortopediska implantat.

• author: Blidberg, Sara
• supervisor: Dmytro Orlov; Johan Ranstad
• organization: Materials Engineering
• course: FKMM01 20251
• year: 2025
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• language: English
• id: 9198603
• date added to LUP: 2025-06-16 07:08:01
• date last changed: 2025-06-16 07:08:01