CC BY
78
■ Мкарю, що практикуе
To General Practitioner
YAK 615.033:616-77:615.465:546.46-19
\ЧЕМИРИС АЩ', ЦИВИРКО Э.И.", ЧЕРНЫЙ В.Н.', ШАЛОМЕЕВ В.А.'', ßÖYH E.B.' 'Запорожский государственный медицинский университет ''Запорожский национальный технический университет
БИОРЕЗОРБТИВНЫЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ МАГНИЯ
Резюме. Магний и продукт его коррозии имеют отличную биосовместимость. В результате магний приобрел широкое применение в области биоматериалов как биоабсорбируемый медицинский материал. Нами было проведено исследование: изготавливали литые образцы из стандартных магниевых сплавов Мл-5 и Мл-10 в условиях ОАО «Мотор-Сич» для контроля механических свойств, коррозионных испытаний и металлографического анализа. Коррозионные испытания проводили на образцах диаметром 10 х 5 мм в 3% водном растворе ЫаС! в термостате при температуре 38 °С. Образцы взвешивали, помещали в пробирки с раствором на 10,20 и 30 дней, извлекали и взвешивали. Считали потерю массы. Ключевые слова: магний, остеосинтез, биорезорбция сплавов.
Одним из современных методов лечения переломов остается остеосинтез металлическими имплантатами из нержавеющей стали, титана и др. Обладая достаточной механической прочностью, конструкции из указанных сплавов отрицательно влияют как на костную ткань, так и на организм человека в целом. Негативным является и то, что после консолидации перелома необходимо повторное оперативное вмешательство по удалению металлоконструкции.
Полимеры были первыми материалами, которые использовались как биоабсорбируемые [1, 5].
Магний и продукт его коррозии имеют отличную биосовместимость. В результате магний приобрел широкое применение в области биоматериалов как био-разлагаемый и биоабсорбируемый медицинский материал. Были использованы различные методы, чтобы контролировать коррозию магния, такие как очистка, анодирование, легирование (сплавление) металлов и покрытие поверхности различными материалами. Исследования показали, что очистка магния значительно уменьшает коррозию [4, 6]. Но химически чистый магний обладает слабыми механическими свойствами, он очень хрупкий и непрочный на разрыв. Сплавы магния с различными элементами дают нам возможность увеличить механическую пригодность чистого магния, но вещества для сплавов должны выбираться тщательно, чтобы поддерживать биосовместимость и коррозио-устойчивость магния.
Цель исследования — в эксперименте изучить био-резорбтивные свойства промышленных сплавов магния.
Материалы и методы исследования
Первым этапом исследования был анализ литературных источников по применению сплавов магния в
медицине. Определено, что использование свойства магния растворяться в организме человека начато с середины XIX столетия. Описаны исследования по использованию сплавов магния в травматологии и ортопедии [1—4]. Однако широкого распространения им-плантаты из магниевых сплавов не получили, и в конце 90-х годов ХХ столетия возобновились эксперименты по применению магниевых сплавов в травматологии и ортопедии [3, 5, 6].
Анализ литературных источников позволил выделить ряд преимуществ магниевых сплавов:
— магниевые сплавы легки (по весу). Они на 1/3 так же плотны, как и сплавы, основанные на титане, и на 1/5 — как сплавы из нержавеющей стали и хромокобаль-товые сплавы. Большой интерес вызывает эластичность магниевых сплавов. Кость, как живая ткань, постоянно корректируется и приспосабливается под напряжением. Этот процесс коррекции может провести к стрессовой защите, если присутствует имплантат;
— исходная упругость кортикального слоя кости находится в порядке 3—20 ГПа. Для примера: модуль эластичности для безупречных сталей — обычно около 200 ГПа, для хромокобальтовых сплавов — порядка 230 ГПа и для титановых сплавов — почти 115 ГПа. Магниевые сплавы, для сравнения, имеют модуль эластичности около 45 ГПа, который более точно соответствует самой кости, таким образом уменьшается вероятность защиты напряжения и связанной с этим силы самой кости (ее плотности).
Нами было проведено исследование: изготавливали литые образцы из стандартных магниевых сплавов Мл-5 и Мл-10 (табл. 1, 2) в условиях ОАО «Мотор-Сич» для контроля механических свойств, коррозионных испытаний и металлографического анализа.
Таблица 1. Химический состав промышленных магниевых сплавов (ГОСТ2856-79)
Таблица 3. Потеря массы образца
Марка сплава Химический состав, % мас.
Al Zn Mn Zr Nd
Мл-5 7,5-9,0 0,2-0,8 0,15-0,5 - -
Мл-10 - 0,1-0,7 - 0,4-1,0 2,2-2,8
Марка сплава Длительность эксперимента, дни На-чаль-ная масса, г Конечная масса, г Потеря массы, %
Мл-5 10 0,6962 0,4542 35
20 0,7967 0,2039 74
30 0,7116 0,0216 100
Мл-10 10 0,7542 0,7513 0,4
20 0,7161 0,6971 2,6
30 0,6288 0,6036 4,0
Механические свойства данных сплавов удовлетворяют требованиям ГОСТ 2856-79 (табл. 2).
Таблица 2. Сравнительные свойства магниевых сплавов после закалки и старения
Марка сплава Механические свойства, не менее
ов, МПа S, %
Мл-5 226,0 2,0
Мл-10 226,0 3,0
Коррозионные испытания проводили на образцах диаметром 10 х 5 мм в 3% водном растворе №аС1 в термостате при температуре 38 °С. Образцы взвешивали, помещали в пробирки с раствором на 10, 20 и 30 дней, извлекали и взвешивали. Считали потерю массы (их растворимость) (табл. 3).
Рисунок 1. Микроструктуры сплавов (оптическая микроскопия, микроскоп Neofot 32, Olympus 1Х70): а) Мл-5; б) Мл-10
Видно, что сплав Мл-5 имеет значительно более высокую растворимость по отношению к Мл-10. Поэтому перспективным в этом направлении является Мл-10. Однако для остеосинтеза его растворимость слишком высока, поэтому было исследовано влияние микродобавок скандия в этот сплав для регулировки его растворимости. Скандий вводили в магниевый сплав в виде присадок лигатуры в количестве 0,1 и 1,0 % мас.
Добавки этого элемента измельчают структуру сплава (рис. 2), повышают механические свойства и коррозионную стойкость (снижают растворимость) (табл. 4).
Рисунок 2. Микроструктура сплава Мл-5 со скандием: а) 0,1% Sc; б) 1,0% Sc (х 200)
Том 12, №3 • 2011
www.trauma.mif-ua.com
145
Таблица 4. Механические свойства Мл-5 со Sc*
Элемент Содержание, % мас. Механические свойства
ов, МПа S, %
Стандартный 232,1 2,9
Sc 0,1 258,3 5,3
1,0 272,0 5,0
Примечание: * — средние значения.
Таблица 5. Коррозионная стойкость сплава Мл-5 со Sc*
Марка сплава Длительность эксперимента, дней На-чаль-ная масса, г Конечная масса, г Потеря массы, %
Мл-5 10 0,6962 0,4542 35
20 0,7967 0,2039 74
30 0,7116 0,7116 100
Мл-5 + 0,1% Sc 10 0,7024 0,6181 12
20 0,6855 0,3428 50
30 0,8395 0,2519 70
Мл-5 + 1,0% Sc 10 0,8420 0,8260 2,0
20 0,7141 0,5919 17
30 0,7912 0,6245 21
Примечание: * — средние значения.
Результаты и их обсуждение
Результаты проведенных экспериментальных исследований сплавов промышленного магния Мл-5 и Мл-10 подтверждают их достаточную механическую прочность, соответствующую механической прочности кости. Исследования степени растворимости исследуемых сплавов показали, что сплав Мл-5 к концу эксперимента полностью растворился, в то время как сплав Мл-10 потерял всего 4 % своей массы. Учитывая сроки консолидации переломов, более перспективным в ка-
\Чем1р1с А.й]*, Цив1рко Е.1.**, Чорний В.М.*, Шаломеев В.А.**, Яцун Е.В.*
*Запор!зькийдержавний медичний унтерситет **Запор!зький нац!ональний техн!чний ун!верситет
БЮРЕЗОРБТИВШ ВЛАСТИВОСП СПЛАВ|В МАГШЮ
Резюме. Магнш i продукт його корозй мають ввдмшну бюсумюшсть. У результат магнш широко застосовуеться в галузi бiоматерiалiв як медичний матерiал, що бюабсорбу-еться. Нами було проведене дослщження: виготовляли лип зразки зi стандартних магшевих сплавiв Мл-5 i Мл-10 в умо-вах ВАТ «Мотор-Сч» для контролю мехашчних властиво-стей, корозшних дослiджень i металографiчного анатзу. Корозiйнi випробування проводили на зразках дiаметром 10 х 5 мм у 3% водному розчиш №С1 у термостатi при темпе-ратурi 38 °С. Зразки зважували, помщали в пробiрки з роз-чином на 10, 20 i 30 дшв, виймали й зважували. Пдрахову-вали втрату маси.
Ключовi слова: магнiй, остеосинтез, бюрезорбц1я сплавiв.
честве материала для имплантатов может быть сплав Мл-10. Исследования, направленные на уменьшение биоабсорбирующих свойств сплава Мл-5 путем введения в качестве присадки Sc, свидетельствуют об улучшении механических и коррозионных свойств.
Выводы
1. Промышленные сплавы Мл-5 и Мл-10 обладают достаточными механическими свойствами, приближенными к механической прочности кости.
2. В исследованиях in vitro сплав Мл-5 показал быструю растворимость.
3. Механическую прочность и коррозионную стойкость сплавов Мл-5 можно корректировать путем введения микроприсадок (скандий).
Список литературы
1. Staiger M.P., Pietak A.M., Huadmai J., Dias G. Magnesium and its alloys as orthopedic biomaterials: A review // Biomaterials. — 2006. — 27. — 1728.
2. Shaw B.A. Corrosion resistance of magnesium alloys // Corrosion: Fundamentals, Testing and Protection: ASM Handbook / Ed. by S.D. Cramer, B.S. Covino. — Vol. 13a. — ASM International, USA, 2003. — P. 692.
3. Mathieu S., Rapin C., Steinmetz J., Steinmetz P. A corrosion study of the main constituent phases of AZ91 magnesium alloys // Corros. Sci. — 2003. — 45. — 2741.
4. Li L.C., Gao J.C., Wang Y. Evaluation of cytotoxicity and corrosion behavior of alkali-heat-treated magnesium in simulated body fluid // Surf. Coat. Technol. — 2004. — 185. — 92.
5. Chen J., Wang J., Han E., Dong J., Ke W. Corrosion behavior of AZ91D magnesium alloy in sodium sulfate solution //Mater. Corros. — 2006. — 57. — 789.
6. Baril G., Galicia G., Deslouis C., Pebere N., Tribollet B., Vivier V. An impedance investigation of the mechanism of pure magnesium corrosion in sodium sulfate solutions // J. Electrochem. Soc. — 2007. — 154. — 108.
Получено 12.07.11 □
\Chemiris A.I]*, Tsvirko E.I**, Chorny V.N.*, Shalomeev V.A.**, Yatsun Ye.V.*
*Zaporizhya State Medical University
**Zaporizhya National Technical University,Ukraine
BIORESORPTIVE PROPERTIES OF MAGNESIUM ALLOYS
Summary. Magnesium and product of its corrosion have excellent biocompatibility. As a result magnesium became commonly used in the field ofbiomaterials as bioabsorbable medical material. We had carried out a study: we made cast standards from standard magnesium alloys: Ml-5 and Ml-10 in the conditions of Motor-Sich JSC for control of mechanical properties, corrosive tests and metallographic analysis. Corrosive tests were conducted on the standards of diameter10 x 5 mm in a 3% water solution of NaCl in a thermostat at a temperature of 38 °C. Standards were weighed, placed in test tubes with solution for 10, 20 and 30 days, the they were extracted and weighed. Mass loss was calculated.
Key words: magnesium, osteosynthesis, bioresorption of alloys.
