МІКРОСТРУКТУРА, МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ТА КОНТРОЛЬОВАНА ДЕГРАДАЦІЯ БІОРОЗЧИННОГО СПЛАВУ Mg-3,15Nd-1,25Zr-0,6Zn ДЛЯ ІМПЛАНТІВ ОСТЕОСИНТЕЗУ: ПРОМИСЛОВА ТЕХНОЛОГІЯ ТА ПОРІВНЯЛЬНА ОЦІНКА ЗІ СПЛАВОМ МЛ10
DOI:
https://doi.org/10.15588/1607-6885-2026-2-2Ключові слова:
біодеградуючий магнієвий сплав, система Mg-Zr-Nd-Zn, остеосинтез, мікроструктура, механічні властивості, біокорозія, контрольована деградація, загоєння кістки, кісточковий гвинт, сплав МЛ10.Анотація
Мета. Оцінити мікроструктуру, механічні властивості та деградаційну поведінку біорозчинного сплаву Mg-3,15Nd-1,25Zr-0,6Zn (мас.%), виготовленого за промислово сумісною технологією, та продемонструвати його переваги над сплавом МЛ10 для остеосинтезу з кінетикою деградації, синхронізованою із загоєнням кістки.
Методи дослідження. Мікроструктуру досліджували методами оптичної мікроскопії (Neophot 32, OLYMPUS IX 70) та СЕМ/ЕДС (SELMI РЕМ-106I). Розмір зерна визначали методом перетинів (ISO 643:2024). Механічні властивості вимірювали на машині INSTRON 2801 (ASTM B557, ISO 6892-1) у термічно обробленому стані та після 90-добової витримки у Гелофузині (pH 7,4), Венофундині (pH 5,5) та фізіологічному розчині при 36 ± 1 °C. Швидкість корозії визначали гравіметричним методом. Термічну обробку проводили в атмосфері аргону у печах Bellevue та ПАП-4М. Промислові випробування виконано на кісточкових гвинтах трьох типорозмірів на АТ «Мотор Січ».
Результати. Після лиття у водоохолоджувану мідну виливницю (25–30 °C/с) та двоступеневої термічної обробки (560 °C/8 год + 200 °C/16 год) сплав має розмір зерна 57 ± 4,7 мкм (на 50% менше за МЛ10) з чистими межами, що містять дисперсні частинки Zn₂Zr₃ та β″ замість безперервних мереж (Mg,Zn)₁₂Nd. Границя міцності — 309 ± 6,5 МПа, границя текучості – 252 ± 6,5 МПа, подовження – 7,9 ± 0,65%, що на 31%, 33% та 126% вище за МЛ10. Швидкості корозії (0,45–0,68 мм/рік) на 39–42 % нижчі за МЛ10. Після 90 діб сплав зберіг 58–76 % початкової міцності (182–230 МПа), підтримуючи >180 МПа протягом критичного 12-тижневого періоду, проти 38–42 % для МЛ10. Промислові випробування на трьох типорозмірах гвинтів підтвердили відтворюваність.
Наукова новизна. Вперше систематично оцінено взаємозв'язок мікроструктури, механічних властивостей та кінетики деградації сплаву Mg-3,15Nd-1,25Zr-0,6Zn у трьох біологічних рідинах із порівнянням з МЛ10 та вимогами загоєння кістки. Встановлено, що усунення міжзеренних мереж (Mg,Zn)₁₂Nd разом із подрібненням зерна до 57 мкм змінює механізм корозії з міжкристалітного (150–200 мкм) на рівномірний поверхневий (<50 мкм), забезпечуючи синхронізацію деградації зі стадіями загоєння.
Практична цінність. Промислово масштабовану технологію валідовано у дослідному виробництві кісточкових гвинтів трьох типорозмірів із використанням стандартної тигельної плавки, лиття у мідну виливницю та конвенційної термічної обробки. Сплав забезпечує достатній запас міцності протягом усіх критичних фаз загоєння (тижні 0–20), перевершуючи МЛ10 та відповідаючи доклінічним вимогам до біодеградуючих ортопедичних фіксаторів.
Посилання
References
Aikin, M., & Shalomeev, V. (2024). Optimization of heat treatment regime for a new biodegradable Mg-Zr-Nd alloy with enhanced mechanical properties. Innovative Materials and Technologies in Metallurgy and Mechanical Engineering, 31–38. https://doi.org/10.15588/1607-6885-2024-3-5
Aikin, M., Shalomeev, V., Kukhar, V., Kostryzhev, A., Kuziev, I., Kulynych, V., Dykha, O., Dytyniuk, V., Shapoval, O., & Zagorskis, A. (2025). Recent advances in biodegradable magnesium alloys for medical implants: Evolution, innovations, and clinical translation. Crystals, 15(8), Article 671. https://doi.org/10.3390/cryst15080671
Aikin, M., Shalomeev, V., & Lukyanenko, O. (2021). Дослідження впливу високих швидкостей охо-лодження при кристалізації на структуру та власти-вості сплаву системи Mg-Zr-Nd [Investigation of the influence of high cooling rates during crystallization on the structure and properties of the Mg-Zr-Nd system alloy]. Innovative Materials and Technologies in Metallurgy and Mechanical Engineering. https://doi.org/10.15588/1607-6885-2021-1-4
ASTM International. (2004). Standard guide for laboratory immersion corrosion testing of metals (ASTM G31-72R04). https://doi.org/10.1520/G0031-72R04
ASTM International. (2023). Standard test methods for tension testing wrought and cast aluminum- and magnesium-alloy products (ASTM B557-15).
Dangwal, S., Edalati, K., Valiev, R. Z., & Langdon, T. G. (2023). Breaks in the Hall-Petch relationship after severe plastic deformation of magnesium, aluminum, copper, and iron. Crystals, 13(3), Article 413. https://doi.org/10.3390/cryst13030413
Eddy Jai Poinern, G., Brundavanam, S., & Fawcett, D. (2013). Biomedical magnesium alloys: A review of material properties, surface modifications and potential as a biodegradable orthopaedic implant. American Journal of Biomedical Engineering, 2(6), 218–240. https://doi.org/10.5923/j.ajbe.20120206.02
Gracheva, A., Polozov, I., & Popovich, A. (2025). Additive manufacturing of biodegradable metallic implants by selective laser melting: Current research status and application perspectives. Metals, 15(7), Article 754. https://doi.org/10.3390/met15070754
International Organization for Standardization. (2019). Metallic materials-Tensile testing-Part 1: Method of test at room temperature (ДСТУ ISO 6892-1:2019).
International Organization for Standardization. (2024). Steels-Micrographic determination of the apparent grain size (ISO 643:2024).
Jin, S., Zhang, D., Lu, X., Zhang, Y., Tan, L., Liu, Y., & Wang, Q. (2020). Mechanical properties, biodegradability and cytocompatibility of biodegradable Mg-Zn-Zr-Nd/Y alloys. Journal of Materials Science & Technology, 47, 190–201.
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.02.017
Lin, X., Saijilafu, Wu, X., Wu, K., Chen, J., Tan, L., Witte, F., Yang, H., Mantovani, D., & Zhou, H. (2023). Biodegradable Mg-based alloys: Biological implications and restorative opportunities. International Materials Reviews, 68(4), 365–403.
https://doi.org/10.1080/09506608.2022.2079367
Liu, C., Ren, Z., Xu, Y., Pang, S., Zhao, X., & Zhao, Y. (2018). Biodegradable magnesium alloys developed as bone repair materials: A review. Scanning, 2018, 1–15. https://doi.org/10.1155/2018/9216314
Maier, H. J., Julmi, S., Behrens, S., Klose, C., Gartzke, A.-K., Wriggers, P., Waselau, A.-C., & Meyer-Lindenberg, A. (2020). Magnesium alloys for open-pored bioresorbable implants. JOM, 72, 1859–1869. https://doi.org/10.1007/s11837-020-04078-8
Morgan, E. F., Unnikrisnan, G. U., & Hussein, A. I. (2018). Bone mechanical properties in healthy and diseased states. Annual Review of Biomedical Engineering, 20, 119–143. https://doi.org/10.1146/annurev-bioeng-062117-121139
Müller, E., Schoberwalter, T., Mader, K., Seitz, J.-M., Kopp, A., Baranowsky, A., & Keller, J. (2024). The biological effects of magnesium-based implants on the skeleton and their clinical implications in orthopedic trauma surgery. Biomaterials Research, 28, Article 0122. https://doi.org/10.34133/bmr.0122
Shalomeev, V., Aikin, N., Chorniy, V., & Naumik, V. (2019). Design and examination of the new biosoluble casting alloy of the system Mg-Zr-Nd for osteosynthesis. Materials Science.
Thomas, K. K., Zafar, M. N., Pitt, W. G., & Husseini, G. A. (2023). Biodegradable magnesium alloys for biomedical implants: Properties, challenges, and surface modifications with a focus on orthopedic fixation repair. Applied Sciences, 14(1), Article 10. https://doi.org/10.3390/app14010010
Xi, Z., Wu, Y., Xiang, S., Sun, C., Wang, Y., Yu, H., Fu, Y., Wang, X., Yan, J., & Zhao, D. (2020). Corrosion resistance and biocompatibility assessment of a biodegradable hydrothermal-coated Mg-Zn-Ca alloy: An in vitro and in vivo study. ACS Omega, 5, 4548–4557. https://doi.org/10.1021/acsomega.9b03889
Yuan, W., Panigrahi, S. K., Su, J.-Q., & Mishra, R. S. (2011). Influence of grain size and texture on Hall-Petch relationship for a magnesium alloy. Scripta Materialia, 65, 994–997.
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2011.08.028
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, Article 953344.
https://doi.org/10.3389/fbioe.2022.953344
Zhang, X., Yuan, G., Niu, J., Fu, P., & Ding, W. (2012). Microstructure, mechanical properties, biocorrosion behavior, and cytotoxicity of as-extruded Mg-Nd-Zn-Zr alloy with different extrusion ratios.
Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 9, 153–162.
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
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.
