ВПЛИВ ХІМІЧНОГО СКЛАДУ БІОРОЗЧИННОГО МАГНІЄВОГО СПЛАВУ СИСТЕМИ Mg-Nd-Zr ДЛЯ ОСТЕОСИНТЕЗУ НА МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

Автор(и)

  • Віктор Грешта Національний університет «Запорізька політехніка», м. Запоріжжя, Україна https://orcid.org/0000-0002-4589-6811

DOI:

https://doi.org/10.15588/1607-6885-2026-2-1

Ключові слова:

біорозчинний магнієвий сплав, остеосинтез, механічні властивості, хімічний склад, неодим, цирконій, план Бокса-Бенкена, регресійна модель, оптимізація складу, імплантати.

Анотація

Мета роботи. Визначення раціонального хімічного складу біорозчинного магнієвого сплаву системи
Mg-Nd-Zr, при якому забезпечується оптимальне поєднання міцності та пластичності, для застосування в остеосинтезі.

Методи дослідження. Застосовано комплекс методів, що включав планування експерименту за методом Бокса-Бенкена, виготовлення зразків шляхом виплавки та термічної обробки магнієвих сплавів, механічні випробування на розтяг згідно з ISO 6892-1, а також статистичну обробку отриманих даних за допомогою програмного забезпечення STATSOFT.

Отримані результати. Встановлено ключову роль неодиму у підвищенні границі міцності магнієвого сплаву системи Mg-Nd-Zr, з оптимальним вмістом близько 3,6%. Виявлено позитивний вплив цирконію на пластичність сплаву, імовірно через формування дрібнозернистої структури, з оптимальним вмістом близько 1,8%. Виявлено негативний ефект взаємодії між неодимом та цирконієм при їх одночасному підвищенні концентрації, що потребує врахування при оптимізації складу сплаву. Встановлено, що вплив цинку в досліджуваному діапазоні концентрацій (до 0,8%) на механічні властивості сплаву є статистично незначущим. На основі отриманих даних розроблено регресійну модель, яка дозволяє з високою точністю прогнозувати механічні властивості сплаву залежно від вмісту легуючих елементів. Ці результати створюють основу для оптимізації хімічного складу біорозчинного магнієвого сплаву з метою досягнення оптимального балансу міцності та пластичності для застосування в остеосинтезі.

Наукова новизна. Встановлено комплексний вплив легувальних елементів (Nd, Zr, Zn) на механічні властивості біорозчинного магнієвого сплаву системи Mg-Nd-Zr для остеосинтезу. Виявлено, що неодим є ключовим елементом, який підвищує границю міцності сплаву, тоді як цирконій сприяє одночасному зростанню міцності та пластичності. Виявлено негативний ефект взаємодії між Nd та Zr при їх високих концентраціях, що суттєво впливає на механічні характеристики сплаву.

Практична цінність. Розроблена регресійна модель дозволяє прогнозувати механічні властивості сплаву залежно від вмісту легуючих елементів, що значно спрощує процес підбору оптимального складу для конкретних медичних застосувань.

Біографія автора

Віктор Грешта, Національний університет «Запорізька політехніка», м. Запоріжжя

канд. техн. наук, професор, ректор Національного університету «Запорізька політехніка», м. Запоріжжя

Посилання

Zhang, T., Wang, W., Liu, J., Wang, L., Tang, Y., & Wang, K. (2022). A review on magnesium alloys for biomedical applications. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 10, 953344.

https://doi.org/10.3389/fbioe.2022.953344

Moosbrugger, C., & Marquard, L. (2017). Engineering Properties of Magnesium Alloys. ASM International.

Chakraborty Banerjee, P., Al-Saadi, S., Choudhary, L., Harandi, S. E., & Singh, R. (2019). Magnesium implants: prospects and challenges. Materials, 12(1), 136. https://doi.org/10.3390/ma12010136

Chen, J., Tan, L., Yu, X., Etim, I. P., Ibrahim, M., & Yang, K. (2018). Mechanical properties of magnesium alloys for medical application: a review. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 87, 68–79. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2018.07.020

Shalomeev, V., Aikin, N., Chorniy, V., & Naumik, V. (2019). Design and examination of the new biosoluble casting alloy of the system Mg-Nd-Zr for osteosynthesis. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(12 (97)), 40–48.

Shalomeiev, V. A., Tsyvirko, E. I., & Aikin, M. D. (2016). Magnesium alloys with an enhanced level of properties for medical implants. Metaloznavstvo ta Obrobka Metaliv, (2), 3–10. [in Ukrainian]

Rao, S. S. S., Mohan, A., Suryanarayana, C., & Prabhu, T. R. (2020). Biodegradable magnesium alloys: a review of their chemical composition, properties and applications. Materials, 13(8), 1934. https://doi.org/10.3390/ma13081934

Zhang, Y., Xu, J., Ruan, Y. C., Yu, M. K., O’Laughlin, M., Wise, H., & You, L. (2019). Chemical composition and corrosion behavior of biodegradable magnesium alloys. Journal of Alloys and Compounds, 785, 1086–1096. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.02.034

Li, J., Tan, L., Wan, P., Yu, X., & Yang, K. (2018). Biodegradable magnesium alloys with improved chemical composition for orthopedic applications. Biomaterials, 164, 34–45.

https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2018.02.024

Wang, J., Witte, F., Xi, T., Zheng, Y., Yang, K., Yang, Y., & Li, Y. (2020). Influence of chemical composition on the biodegradability of magnesium alloys. Acta Biomaterialia, 105, 1–15.

https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.02.036

Kumar, R., Promila, Kumar, A., Silla, S., & Sarova, A. (2017). Biocompatibility and degradation study of magnesium alloys: a review. Journal of Emerging Technologies and Innovative Research (JETIR), 4(6), 526–536.

Hassan, S. F., Islam, M. T., Saheb, N., & Baig, M. M. A. (2022). Magnesium for implants: a review on the effect of alloying elements on biocompatibility and properties. Materials, 15(16), 5669. https://doi.org/10.3390/ma15165669

Lu, Y., Deshmukh, S., Jones, I., & Chiu, Y. (2021). Biodegradable magnesium alloys for orthopaedic applications. Biomaterials Translational, 2(3), 214–235. https://doi.org/10.12336/biomatertransl.2021.03.005

Chen, Y., Dou, J., Yu, H., & Chen, C. (2019). Degradable magnesium-based alloys for biomedical applications: the role of critical alloying elements. Journal of Biomaterials Applications, 0(0), 1–25. https://doi.org/10.1177/0885328219834656

Amukarimi, S., & Mozafari, M. (2021). Biodegradable magnesium-based biomaterials: an overview of challenges and opportunities. MedComm, 2(2), 123–144. https://doi.org/10.1002/mco2.59

Chen, J., Xu, Y., Kolawole, S. K., Wang, J., Su, X., Tan, L., & Yang, K. (2022). Systems, properties, surface modification and applications of biodegradable magnesium-based alloys: a review. Materials, 15(14), 5031. https://doi.org/10.3390/ma15145031

##submission.downloads##

Опубліковано

2026-05-07

Номер

№ 2 (2026): Нові матеріали і технологіі в металургії та машинобудуванні

Розділ

Структуроутворення. Опір руйнуванню та фізико-механічні властивості

Ліцензія

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Положення про авторські права Creative Commons

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

  • Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.

  • Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.

  • Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.