Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University56010.18323/2782-4039-2022-3-1-106-114ArticlesСтатьиOn the compatibility of surgical implants of bioresorbable magnesium alloys with medical devices of titanium alloysО совместимости хирургических имплантатов из биорезорбируемых магниевых сплавов с медицинскими изделиями из титановых сплавовhttps://orcid.org/0000-0002-7530-9518MyagkikhPavel N.МягкихПавел Николаевич
Russian Federation

junior researcher of the Research Institute of Advanced Technologies

младший научный сотрудник НИИ прогрессивных технологий

feanorhao@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-7063-088XMersonEvgeny D.МерсонЕвгений Дмитриевич
Russian Federation

PhD (Physics and Mathematics), senior researcher of the Research Institute of Advanced Technologies

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник НИИ прогрессивных технологий

mersoned@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-0570-2584PoluyanovVitaly A.ПолуяновВиталий Александрович
Russian Federation

PhD (Engineering), junior researcher of the Research Institute of Advanced Technologies

кандидат технических наук, младший научный сотрудник НИИ прогрессивных технологий

vitaliy.poluyanov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-5006-4115MersonDmitry L.МерсонДмитрий Львович
Russian Federation

Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Professor, Director of the Research Institute of Advanced Technologies

доктор физико-математических наук, профессор, директор НИИ прогрессивных технологий

D.Merson@tltsu.ruBegunMarina E.БегунМарина Эдуардовна
Russian Federation

student, a technician of the Research Institute of Advanced Technologies

студент, техник НИИ прогрессивных технологий

feanorhao@gmail.comTogliatti State University, TogliattiТольяттинский государственный университет, Тольятти300920223-110611430092022https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/560

Self-resorbable implants made of magnesium alloys, unlike the traditional implants made of titanium alloys and stainless steels, have the ability to completely dissolve in the human body, which makes it possible to eliminate the need for a recurrent operation to extract them. The issue of the possibility of using magnesium implants in the combination with products made of titanium alloys remains insufficiently studied at the moment. At the same time, it is widely known that the elements such as titanium and iron, with a potential more positive than magnesium, have a disastrous influence on the corrosion of magnesium alloys, since magnesium dissolves much faster due to the galvanic effect. This work is aimed to determine how the distance to a titanium implant affects the corrosion rate of a ZX10 magnesium alloy sample with an ultra-fine grain structure. As it is an issue of medical application, the authors carried out the corrosion tests within the conditions simulating the human body conditions: the corrosion medium circulation and keeping temperature within 37±1 °C. The authors used physiological solution as a corrosion medium. During corrosion testing, a titanium implant was placed in three, six, and twelve centimeters from the magnesium alloy sample; and the control tests were also carried out without a titanium implant. According to the obtained data, at a distance of 3 cm, the galvanic effect between titanium and magnesium manifests itself strongly, increasing the corrosion rate and the size of corrosion damage, but at a distance of 6 cm, the titanium implant does not have a visible effect on the corrosion of a sample.

Саморастворяющиеся имплантаты из магниевых сплавов, в отличие от традиционных имплантатов из титановых сплавов и нержавеющих сталей, обладают способностью полностью растворяться в теле человека, что позволяет обойтись без повторной операции по их извлечению. Вопрос о возможности использования магниевых имплантатов совместно с изделиями из титановых сплавов на данный момент остается в недостаточной мере изученным. В то же время широко известно, что элементы с более положительным электродным потенциалом, чем у магния, такие как титан и железо, пагубно влияют на коррозию магниевых сплавов, поскольку за счет гальванического эффекта растворение магния происходит существенно быстрее. Целью работы было установить, какое влияние на скорость коррозии образца из магниевого сплава ZX10 с ультрамелкозернистой структурой оказывает расстояние до титанового имплантата. Поскольку речь идет о медицинских приложениях, коррозионные испытания проводились в условиях, имитирующих условия внутри человеческого тела: циркуляция коррозионной среды и поддержание температуры 37±1 °C. В качестве коррозионной среды использовался физиологический раствор. Во время коррозионных испытаний титановый имплантат располагали в 3, 6 и 12 см от образца из магниевого сплава. Дополнительно были проведены испытания образцов контрольной группы без титанового имплантата. Согласно полученным данным при расстоянии между титаном и магнием в 3 см гальванический эффект ярко проявляется: увеличивается скорость коррозии и размер коррозионных повреждений, однако на расстоянии в 6 см титановый имплантат уже не оказывает видимого влияния на коррозию образца.

magnesium alloysZX10bioresorbable materialscorrosionmedical implantsмагниевые сплавыZX10биорезорбируемые материалыкоррозиямедицинские имплантатыThe study was financially supported by the Russian Foundation for Basic Research within the scientific project No. 20-38-90073 and by the Russian Science Foundation, project No. 20-19-00585.Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-38-90073, а также при финансовой поддержке Российского научного фонда, проект № 20-19-00585.Prakasam M., Locs J., Salma-Ancane K., Loca D., Largeteau A., Berzina-Cimdina L. Biodegradable materials and metallic implants-A review. Journal of Functional Biomaterials, 2017, vol. 8, no. 4, article number 44. DOI: 10.3390/jfb8040044.Prakasam M., Locs J., Salma-Ancane K., Loca D., Largeteau A., Berzina-Cimdina L. Biodegradable materials and metallic implants-A review // Journal of Functional Biomaterials. 2017. Vol. 8. № 4. Article number 44. DOI: 10.3390/jfb8040044.Antoniac I., Popescu D., Zapciu A., Antoniac A., Miculescu F., Moldovan H. Magnesium filled polylactic acid (PLA) material for filament based 3D printing. Materials, 2019, vol. 12, no. 5, article number 719. DOI: 10.3390/ma12050719.Antoniac I., Popescu D., Zapciu A., Antoniac A., Miculescu F., Moldovan H. Magnesium filled polylactic acid (PLA) material for filament based 3D printing // Materials. 2019. Vol. 12. № 5. Article number 719. DOI: 10.3390/ma12050719.Knaack D., Goad M.E.P., Aiolova M., Rey C., Tofighi A., Chakravarthy P., Lee D.D. Resorbable calcium phosphate bone substitute. Journal of Biomedical Materials Research, 1998, vol. 43, no. 4, pp. 399–409. DOI: 10.1002/(SICI)1097-4636(199824)43:4<399::AID-JBM7>3.0.CO;2-J.Knaack D., Goad M.E.P., Aiolova M., Rey C., Tofighi A., Chakravarthy P., Lee D.D. Resorbable calcium phosphate bone substitute // Journal of Biomedical Materials Research. 1998. Vol. 43. № 4. P. 399–409. DOI: 10.1002/(SICI)1097-4636(199824)43:4<399::AID-JBM7>3.0.CO;2-J.Teramoto H., Kawai A., Sugihara S., Yoshida A., Inoue H. Resorption of Apatite-wollastonite containing glass-ceramic and β-tricalcium phosphate in vivo. Acta Medica Okayama, 2005, vol. 59, no. 5, pp. 201–207. DOI: 10.18926/AMO/31974.Teramoto H., Kawai A., Sugihara S., Yoshida A., Inoue H. Resorption of Apatite-wollastonite containing glass-ceramic and β-tricalcium phosphate in vivo // Acta Medica Okayama. 2005. Vol. 59. № 5. P. 201–207. DOI: 10.18926/AMO/31974.Poinern G.E.J., Brundavanam S., Fawcett D. Biomedical Magnesium Alloys: A Review of Material Properties, Surface Modifications and Potential as a Biodegradable Orthopaedic Implant. American Journal of Biomedical Engineering, 2021, vol. 2, no. 6, pp. 218–240. DOI: 10.5923/j.ajbe.20120206.02.Poinern G.E.J., Brundavanam S., Fawcett D. Biomedical Magnesium Alloys: A Review of Material Properties, Surface Modifications and Potential as a Biodegradable Orthopaedic Implant // American Journal of Biomedical Engineering. 2021. Vol. 2. № 6. P. 218–240. DOI: 10.5923/j.ajbe.20120206.02.Levy G.K., Goldman J., Aghion E. The Prospects of Zinc as a Structural Material for Biodegradable Implants–A Review Paper. Metals, 2017, vol. 7, no. 10, article number 402. DOI: 10.3390/met7100402.Levy G.K., Goldman J., Aghion E. The Prospects of Zinc as a Structural Material for Biodegradable Implants–A Review Paper // Metals. 2017. Vol. 7. № 10. Article number 402. DOI: 10.3390/met7100402.Schinhammer M., Hänzi A.C., Löffler J.F., Uggowitzer P.J. Design strategy for biodegradable Fe-based alloys for medical applications. Acta Biomaterialia, 2010, vol. 6, no. 5, pp. 1705–1713. DOI: 10.1016/j.actbio.2009.07.039.Schinhammer M., Hänzi A.C., Löffler J.F., Uggowitzer P.J. Design strategy for biodegradable Fe-based alloys for medical applications // Acta Biomaterialia. 2010. Vol. 6. № 5. P. 1705–1713. DOI: 10.1016/j.actbio.2009.07.039.Merson D., Brilevsky A., Myagkikh P., Tarkova A., Prokhorikhin A., Kretov E., Frolova T., Vinogradov A. The functional properties of Mg-Zn-X biodegradable magnesium alloys. Materials, 2020, vol. 13, no. 3, article number 544. DOI: 10.3390/ma13030544.Merson D., Brilevsky A., Myagkikh P., Tarkova A., Prokhorikhin A., Kretov E., Frolova T., Vinogradov A. The functional properties of Mg-Zn-X biodegradable magnesium alloys // Materials. 2020. Vol. 13. № 3. Article number 544. DOI: 10.3390/ma13030544.Merson D.L., Brilevsky A.I., Myagkikh P.N., Markushev M.V., Vinogradov A. Effect of deformation processing of the dilute Mg-1Zn-0.2Ca alloy on the mechanical properties and corrosion rate in a simulated body fluid. Letters on Materials, 2020, vol. 10, no. 2, pp. 217–222. DOI: 10.22226/2410-3535-2020-2-217-222.Merson D.L., Brilevsky A.I., Myagkikh P.N., Markushev M.V., Vinogradov A. Effect of deformation processing of the dilute Mg-1Zn-0.2Ca alloy on the mechanical properties and corrosion rate in a simulated body fluid // Letters on Materials. 2020. Vol. 10. № 2. P. 217–222. DOI: 10.22226/2410-3535-2020-2-217-222.Tian L., Sheng Y., Huang L., Chow D.H.K., Chau W.H., Tang N., Ngai T., Wu C., Lu J., Qin L. An innovative Mg/Ti hybrid fixation system developed for fracture fixation and healing enhancement at load-bearing skeletal site. Biomaterials, 2018, vol. 180, pp. 173–183. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2018.07.018.Tian L., Sheng Y., Huang L., Chow D.H.K., Chau W.H., Tang N., Ngai T., Wu C., Lu J., Qin L. An innovative Mg/Ti hybrid fixation system developed for fracture fixation and healing enhancement at load-bearing skeletal site // Biomaterials. 2018. Vol. 180. P. 173–183. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2018.07.018.Myagkikh P.N., Merson E.D., Poluyanov V.A., Merson D.L. In-situ study of corrosion process of biodegradable magnesium alloys. Vektor nauki Tolyattinskogo gosudarstvennogo universiteta, 2021, no. 2, pp. 18–25. DOI: 10.18323/2073-5073-2021-2-18-25.Мягких П.Н., Мерсон Е.Д., Полуянов В.А., Мерсон Д.Л. In-situ исследование процесса коррозии магниевых биорезорбируемых сплавов // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2021. № 2. С. 18–25. DOI: 10.18323/2073-5073-2021-2-18-25.Myagkikh P.N., Merson E.D., Poluyanov V.A., Merson D.L. Kinetics and evolution of corrosion failure of pure magnesium with various grain size: in-situ study. Materials. Technologies. Design, 2022, vol. 4, no. 1, pp. 39–47. DOI: 10.54708/26587572_2022_41739.Мягких П.Н., Мерсон Е.Д., Полуянов В.А., Мерсон Д.Л. In-situ исследование кинетики и эволюции коррозионного разрушения чистого магния с разным размером зерна // Materials. Technologies. Design. 2022. Т. 4. № 1. С. 39–47. DOI: 10.54708/26587572_2022_41739.Song G. Control of biodegradation of biocompatable magnesium alloys. Corrosion Science, 2007, vol. 49, no. 4, pp. 1696–1701. DOI: 10.1016/j.corsci.2007.01.001.Song G. Control of biodegradation of biocompatable magnesium alloys // Corrosion Science. 2007. Vol. 49. № 4. P. 1696–1701. DOI: 10.1016/j.corsci.2007.01.001.Xin Y., Liu C., Zhang X., Tang G., Tian X., Chu P.K. Corrosion behavior of biomedical AZ91 magnesium alloy in simulated body fluids. Journal of Materials Research, 2007, vol. 22, no. 7, pp. 2004–2011. DOI: 10.1557/jmr.2007.0233.Xin Y., Liu C., Zhang X., Tang G., Tian X., Chu P.K. Corrosion behavior of biomedical AZ91 magnesium alloy in simulated body fluids // Journal of Materials Research. 2007. Vol. 22. № 7. P. 2004–2011. DOI: 10.1557/jmr.2007.0233.Li K.K., Wang B., Yan B., Lu W. Preparing Ca-P coating on biodegradable magnesium alloy by hydrothermal method: In vitro degradation behavior. Chinese Science Bulletin, 2012, vol. 57, no. 18, pp. 2319–2322. DOI: 10.1007/s11434-012-5067-5.Li K.K., Wang B., Yan B., Lu W. Preparing Ca-P coating on biodegradable magnesium alloy by hydrothermal method: In vitro degradation behavior // Chinese Science Bulletin. 2012. Vol. 57. № 18. P. 2319–2322. DOI: 10.1007/s11434-012-5067-5.Li L.Y., Liu B., Zeng R.C., Li S.Q., Zhang F., Zou Y.H., Jiang H.G., Chen X.B., Guan S.K., Liu Q.Y. In vitro corrosion of magnesium alloy AZ31 - a synergetic influence of glucose and Tris. Frontiers of Materials Science, 2018, vol. 12, no. 2, pp. 184–197. DOI: 10.1007/s11706-018-0424-1.Li L.Y., Liu B., Zeng R.C., Li S.Q., Zhang F., Zou Y.H., Jiang H.G., Chen X.B., Guan S.K., Liu Q.Y. In vitro corrosion of magnesium alloy AZ31 - a synergetic influence of glucose and Tris // Frontiers of Materials Science. 2018. Vol. 12. № 2. P. 184–197. DOI: 10.1007/s11706-018-0424-1.Makkar P., Sarkar S.K., Padalhin A.R., Moon B.G., Lee Y.S., Lee B.T. In vitro and in vivo assessment of biomedical Mg–Ca alloys for bone implant applications. Journal of Applied Biomaterials and Functional Materials, 2018, vol. 16, no. 3, pp. 126–136. DOI: 10.1177/2280800017750359.Makkar P., Sarkar S.K., Padalhin A.R., Moon B.G., Lee Y.S., Lee B.T. In vitro and in vivo assessment of biomedical Mg–Ca alloys for bone implant applications // Journal of Applied Biomaterials and Functional Materials. 2018. Vol. 16. № 3. P. 126–136. DOI: 10.1177/2280800017750359.Liu M., Qiu D., Zhao M.C., Song G., Atrens A. The effect of crystallographic orientation on the active corrosion of pure magnesium. Scripta Materialia, 2008, vol. 58, no. 5, pp. 421–424. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2007.10.027.Liu M., Qiu D., Zhao M.C., Song G., Atrens A. The effect of crystallographic orientation on the active corrosion of pure magnesium // Scripta Materialia. 2008. Vol. 58. № 5. P. 421–424. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2007.10.027.Zhang X., Ba Z., Wang Q., Wu Y., Wang Z., Wang Q. Uniform corrosion behavior of GZ51K alloy with long period stacking ordered structure for biomedical application. Corrosion Science, 2014, vol. 88, pp. 1–5. DOI: 10.1016/j.corsci.2014.07.004.Zhang X., Ba Z., Wang Q., Wu Y., Wang Z., Wang Q. Uniform corrosion behavior of GZ51K alloy with long period stacking ordered structure for biomedical application // Corrosion Science. 2014. Vol. 88. P. 1–5. DOI: 10.1016/j.corsci.2014.07.004.Pogorielov M., Husak E., Solodivnik A., Zhdanov S. Magnesium-based biodegradable alloys: Degradation, application, and alloying elements. Interventional Medicine and Applied Science, 2017, vol. 9, no. 1, pp. 27–38. DOI: 10.1556/1646.9.2017.1.04.Pogorielov M., Husak E., Solodivnik A., Zhdanov S. Magnesium-based biodegradable alloys: Degradation, application, and alloying elements // Interventional Medicine and Applied Science. 2017. Vol. 9. № 1. P. 27–38. DOI: 10.1556/1646.9.2017.1.04.