Ändra sökning
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Zn-Mg and Zn-Ag degradation mechanism under biologically relevant conditions
KTH, Skolan för teknikvetenskap (SCI), Tillämpad fysik. (Surface physics)ORCID-id: 0000-0001-6332-0501
KTH, Skolan för teknikvetenskap (SCI), Tillämpad fysik.ORCID-id: 0000-00003-1631-4293
(Engelska)Manuskript (preprint) (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

Zinc alloys form a promising new class of biodegradable metals that combine suitable mechanical properties with the favorable degradation properties of pure zinc. However, the current understanding of the influence of alloying elements on the corrosion of zinc alloys, in biologically relevant media, is limited. We studied the degradation of three alloys, Zn 4 wt% Ag, Zn 0.5 wt% Mg and Zn 3 wt% Mg by in situ electrochemical impedance spectroscopy (EIS). After exposure for 1h or 30 days the samples were characterized by infrared spectroscopy and scanning electron microscopy (SEM). The presence of secondary phases in the alloy microstructure induced selective corrosion and increased degradation rate. An increase in surface inhomogeneity was evident by EIS analysis both at short (hours) as well as long immersion times (days). The microgalvanic corrosion of the Zn-Ag alloy resulted in enrichment of the AgZn3 phase at the sample surface. The enrichment of Ag and potential release of AgZn3 particles may result in complications during the tissue regeneration. The Zn-Mg alloy surface was depleted of the Mg-rich phase after 8-12 days. The selective dissolution caused local precipitation of2corrosion products and a thicker corrosion layer with larger pore size consistent with increased corrosion rate.

Nationell ämneskategori
Biomaterialvetenskap
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:kth:diva-215665OAI: oai:DiVA.org:kth-215665DiVA, id: diva2:1148839
Forskningsfinansiär
Vetenskapsrådet
Anmärkning

QC 20171017

Tillgänglig från: 2017-10-12 Skapad: 2017-10-12 Senast uppdaterad: 2017-10-19Bibliografiskt granskad
Ingår i avhandling
1. Investigation of corrosion properties of metals for degradable implant applications
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Investigation of corrosion properties of metals for degradable implant applications
2017 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [sv]

Nedbrytbara metaller utgör en ny klass av biomaterial med potential attersätta permanenta material i tillfälliga applikationer. Detta för att minskarisken för långvariga biverkningar. I den pågående forskningen för att utvecklanya nedbrytbara metaller är screening av nya material genom in vitro testmetoderett attraktivt alternativ för att undvika onödiga, tidskrävande ochdyrbara djurstudier.Denna avhandling fokuserar på in vitro-testning av zink- och magnesiumbaserademetaller. Inverkan av faktorer såsom sammansättningen av testlösningen,buffersystemet, belastning samt mikrostruktur hos legeringar undersöktes.Genom att använda elektrokemiska in situ tekniker såsom impedansspektroskopi(EIS) är det möjligt att studera gränssnittet mellan metall ochlösning och karakterisera egenskaperna hos den korroderande ytan. Ex situytkaraktäriseringstekniker som svepelektronmikroskopi och infraröd spektroskopianvändes sedan för att komplettera resultaten av de elektrokemiskamätningarna.Korrosionen av zink i Ringer’s lösning fanns vara närmare in vivo korrosionän korrosionen i fosfatbuffrad saltlösning (PBS). Ringers lösning är därför denföredragna testmiljön för långsiktig utvärdering av zinkbaserade metallerDet biologiska buffersystemet (CO2/H2CO3) bör företrädesvis användasför att stabilisera pH-värdet på testlösningen vid magnesiumnedbrytning. NärHEPES användes för att stabilisera pH ökade korrosionshastigheten på grundav bildning av mindre skyddande skikt av korrosionsproduktMöjligheten att använda helblod och plasma som mer kliniskt relevantatestmiljöer utvärderades och befanns producera reproducerbara resultat.Bildning av ett korrosionsskikt bestående av både organiskt och oorganisktmaterial detekterades på zink i både plasma och helblod.När zink prover i helbod utsattes för belastning förhindrade korrosionsskiktetbildningen av mikrosprickor och förtidigt brott av provet. Det varvidare möjligt att detektera tidig sprickbildning på grund av belastning avMagnesium AZ61-legering med EIS.Adsorption av organiska species på zinkytan under anodisk polariseringökar yttäckningen av Zn-joner i helblod. Den ökade yttäckningen leder sedantill utfällningen av ett skyddande skikt av zinkfosfater och en minskadkorrosionshastighet vid högre potentialer.Korrosion av Zn-Mg och Zn-Ag legeringar i Ringers lösning befanns skevia selektiv upplösning. Lokal utfällning av korrosionsprodukter och bildningav ett poröst, mindre skyddande skikt av korrosionsprodukter hittades påZn-Mg legeringar. Den selektiva upplösningen av Zn-Ag legering orsakade enanrikning av AgZn3 vilket kan påverka biokompatibiliteten av ett implantatmed tiden.

Abstract [en]

Degradable metallic implants are a new class of biomaterials with potentialto replace permanent materials in temporary applications to reduce therisk of long term adverse effects.This thesis focuses on in vitro testing of zinc and magnesium based metals.As new degradable metals are developed screening of new materials within vitro test methods is an attractive option to avoid unnecessary, time consumingand expensive animal studies. The influence of factors such as ioniccomposition of the test solution, buffer system, strain and alloy compositionwas investigated. By employing electrochemical in situ techniques such asimpedance spectroscopy it is possible to study the metal-solution interfaceand determine the properties of the corroding surface. Ex situ surface characterizationtechniques such as scanning electron microscopy and infraredspectroscopy were then used to complement the results of the electrochemicalmeasurements.The importance of appropriate selection of the test solution is highlightedin this work. Zinc was found to corrode in Ringer’s solution by a mechanismcloser to in vivo corrosion than in a phosphate buffered saline solution(PBS).Ringer’s solution is therefore the more appropriate test environment for longterm evaluation of zinc based metals.When evaluating the corrosion of Zn-Mg and Zn-Ag alloys in Ringer’ssolution selective dissolution was found to occur for both types of alloys. Localprecipitation and formation of a porous, less protective, layer of corrosionproducts was found for Zn-Mg alloys. The selective dissolution of Zn-Agalloy caused an enrichment of AgZn3 on the surface which may affect thebiocompatibility of the alloy.The use of HEPES to maintain the pH of the test solution increasedthe corrosion rate of magnesium due to formation of a less protective layerof corrosion products. Magnesium corrosion should therefore preferably bestudied in solutions where the pH is maintained by the biological buffer systemCO2/H2CO3.In addition to saline solutions human whole blood and plasma were evaluatedas more clinically relevant in vitro environments. They were found toproduce reproducible results and to be suitable for short term experiments.Formation of a corrosion product layer comprised of both organic and inorganicmaterial was detected on zinc in both plasma and whole blood.During anodic polarization the adsorption of organic species on the zincsurface was found to increase the surface coverage of Zn ions in whole blood.The increased surface coverage then allowed for precipitation of a protectivelayer of Zn5(PO4)3 and a subsequent decrease in corrosion rate at higherpotentials.When subjecting zinc samples to strain the organic/inorganic corrosionproduct formed in whole blood was observed by impedance spectroscopy toprevent micro cracking and premature failure.The cracking of magnesium alloy samples under applied strain was alsocharacterized by impedance. Changes in surface properties due to crack initiation

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
KTH Royal Institute of Technology, 2017. s. 80
Serie
TRITA-FYS, ISSN 0280-316X ; 2017:58
Nyckelord
biodegradable, metal, zinc, magnesium, corrosion, electrochemistry
Nationell ämneskategori
Biomaterial Metallurgi och metalliska material
Forskningsämne
Teknisk materialvetenskap
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-215970 (URN)978-91-7729-528-0 (ISBN)
Disputation
2017-11-10, sal C (Sven-Olof Öhrvik), Electrum, kistagången 16, kista, 10:00 (Engelska)
Opponent
Handledare
Forskningsfinansiär
Vetenskapsrådet
Anmärkning

QC 20171019

Tillgänglig från: 2017-10-19 Skapad: 2017-10-19 Senast uppdaterad: 2017-11-02Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

fulltext(1842 kB)32 nedladdningar
Filinformation
Filnamn FULLTEXT01.pdfFilstorlek 1842 kBChecksumma SHA-512
6135d0dcec1c4748fc502c5c4354daa13b563b5c1ed55fce35b8ef5b5499ae7e08583c116cf5c999730720a0a7f3ae6c3ec21e10c9d66b55d1a2f34de6034ab4
Typ fulltextMimetyp application/pdf

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Beaussant Törne, KarinÖrnberg, A.Weissenrieder, Jonas
Av organisationen
Tillämpad fysik
Biomaterialvetenskap

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar
Totalt: 32 nedladdningar
Antalet nedladdningar är summan av nedladdningar för alla fulltexter. Det kan inkludera t.ex tidigare versioner som nu inte längre är tillgängliga.

urn-nbn

Altmetricpoäng

urn-nbn
Totalt: 558 träffar
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf