Mg-Zr sputtered coatings: Towards biodegradable material for temporary bone implants

Abstract

As ligas de magnésio (Mg) têm sido extensivamente investigadas devido ao seu potencial uso como materiais biodegradáveis em implantes ósseos temporários. A crescente popularidade dos implantes à base de magnésio pode ser atribuída à sua compatibilidade com o osso humano, baixo módulo de Young e capacidade de mitigar os efeitos de proteção contra o estresse normalmente associados a implantes ósseos permanentes. O zircônio (Zr), um elemento de liga biocompatível e não tóxico, é comumente utilizado para melhorar as propriedades mecânicas e de resistência à corrosão do magnésio. Neste estudo, a técnica de Sputtering de Magnetron de Corrente Contínua (DCMS) foi empregada para fabricar revestimentos de Mg-xZr (x=0.0-5.0 em % atômica). Esses revestimentos foram submetidos a diversas técnicas de caracterização física, química, estrutural, de superfície, eletroquímica e tribológica, incluindo microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia por dispersão de energia (EDS), difração de raios-X (DRX), microscopia de força atômica (AFM), nanoindentação, polarização potenciodinâmica (PP), espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) e tribômetro reciprocante.A análise de MEV revelou que os filmes apresentaram crescimento colunar com vazios, enquanto o aumento no teor de Zr resultou no refinamento dos grãos e na formação de revestimentos mais densos. A análise de DRX indicou a presença do plano basal Mg (00.2), que se tornou mais proeminente com a dopagem de Zr, exibindo um deslocamento gradual dos picos para ângulos mais altos. Esse deslocamento foi atribuído ao menor tamanho atômico do Zr na rede cristalina do Mg, resultando em uma redução do parâmetro de rede "c" e um aumento no parâmetro de rede "a". Testes de molhabilidade demonstraram o comportamento "liquifílico" dos revestimentos de Mg-Zr, indicando sua compatibilidade com fluido corporal simulado por plasma (SBF). A análise de nanoindentação revelou um aumento na dureza dos revestimentos à medida que o teor de Zr aumentava. No entanto, os revestimentos de Mg-0.4Zr e Mg-1.0Zr apresentaram menor dureza em comparação ao magnésio puro. Essa redução na dureza pode ser atribuída à maior taxa de deposição, o que resultou em um aumento de vazios e uma diminuição de compactação nesses revestimentos.Os testes de PP revelaram melhor resistência à corrosão dos revestimentos com teores de Zr de 1.0 a 3.4 em % atômica. Essas descobertas foram ainda confirmadas por imagens de MEV. Os resultados de EIS ilustraram que os revestimentos de Mg-Zr se comportaram como um circuito de Randles simples no diagrama de circuito elétrico equivalente. Embora os revestimentos de Mg-Zr tenham apresentado alta taxa de desgaste, o coeficiente médio de atrito (COF) foi reduzido em comparação com o substrato. Além disso, a taxa de desgaste dos revestimentos de Mg-Zr diminuiu com o aumento do teor de Zr na matriz de Mg. Em conclusão, a adição de Zr ao magnésio melhorou sua resistência à corrosão e propriedades mecânicas, tornando-o um material biodegradável promissor para aplicações potenciais em implantes ósseos temporários.

Extensive research has been conducted on magnesium (Mg) alloys as potential biodegradable materials for temporary bone implants. The increasing popularity of magnesium-based implants stems from their compatibility with human bone, low Young's modulus, and ability to alleviate stress-shielding effects commonly associated with permanent bone implants. Zirconium (Zr), a biocompatible and non-toxic alloying element, is commonly used to enhance the mechanical and corrosion resistance properties of magnesium. In this study, the Direct Current Magnetron Sputtering (DCMS) technique was employed to create Mg-xZr (x=0.0-5.0 at. %) coatings. Various physical, chemical, structural, surface, electrochemical, and tribological characterization techniques were applied to analyze these coatings, including scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM), nanoindentation, potentiodynamic polarization (PP), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and reciprocating tribometer.The SEM analysis revealed columnar growth with voids in the films, while increasing Zr content led to grain refinement and the formation of denser coatings. XRD analysis showed the presence of the Mg (00.2) basal plane, which became more prominent with Zr doping, and a gradual shift of the peaks towards higher angles. This shift was attributed to the smaller atomic size of Zr within the Mg crystal lattice, resulting in a reduction of the "c" lattice parameter and an increase in the "a" parameter. Wettability tests demonstrated the "liquiphilic" behavior of the Mg-Zr coatings, indicating their compatibility with plasma simulated body fluid (SBF). Nanoindentation analysis revealed an increase in the coatings' hardness with higher Zr content. However, Mg-0.4Zr and Mg-1.0Zr coatings exhibited lower hardness compared to pure magnesium, likely due to a higher deposition rate leading to increased voids and decreased compactness within these coatings.Potentiodynamic polarization (PP) tests indicated better corrosion resistance for coatings with Zr contents ranging from 1.0 to 3.4 at. %. SEM imaging supported these findings. EIS results demonstrated that the Mg-Zr coatings behaved like a simple Randles circuit in the equivalent electric circuit diagram. Although the Mg-Zr coatings exhibited a high wear rate, the average coefficient of friction (COF) was reduced compared to the substrate. Furthermore, the wear rate of the Mg-Zr coatings decreased with an increase in Zr content in the Mg matrix. In conclusion, the addition of Zr to magnesium improved its corrosion resistance and mechanical properties, making it a promising biodegradable material for potential applications in temporary bone implants.