Caractérisation structurale et dégradation du Mg

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12572 (2023) Citer cet article

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Des films minces autoportants d'alliages Mg-Li (magnésium-lithium) avec une fraction massique de Li comprise entre 1,6 % (m/m) et 9,5 % (m/m) ont été préparés et étudiés en ce qui concerne leur structure et leurs propriétés de dégradation. Avec l'augmentation de la teneur en Li, la microstructure s'écarte du Mg – Li hexagonal avec une croissance colonnaire stricte et une orientation préférée, et du Mg – Li cubique et du Li2CO3 supplémentaires apparaissent. Le taux de corrosion a été mesuré dans une solution saline équilibrée de Hanks par des mesures de polarisation potentiodynamique et de perte de poids afin d'étudier la biodégradation. Les influences de l'orientation, de la phase et de la formation de la couche protectrice conduisent à une augmentation de la corrosion de 1,6 à 5,5 % (m/m) de 0,13 ± 0,03 à 0,67 ± 0,29 mm/an lorsqu'elle est mesurée par polarisation potentiodynamique mais un taux de corrosion similaire de 9,5 % (m/m) et 3% (m/m) de Li de 0,27 ± 0,07 mm/an et 0,26 ± 0,05 mm/an.

Le magnésium et ses alliages sont largement étudiés comme matériaux destinés à des applications dans le domaine médical en raison de leur biodégradabilité. Différents éléments tels que, par exemple, Ca, Zn ou des éléments de terres rares (REE) sont inclus pour améliorer les propriétés mécaniques ou adapter le taux de dégradation pour les ajuster pour des applications telles que, par exemple, stents ou implants osseux1,2,3,4. En plus de l'avantage d'avoir un implant qui se dégrade une fois qu'il n'est plus nécessaire, les effets thérapeutiques possibles des implants sont explorés, par exemple, en chargeant les stents avec des couches à élution médicamenteuse5 ou en utilisant le processus de corrosion et les changements de l'environnement tels que le pH. et le dégagement d'hydrogène directement pour ses propriétés antibactériennes6.

Conformément à l’idée d’utiliser l’implant lui-même comme traitement, un alliage comprenant l’élément thérapeutiquement actif lithium sera analysé dans cette étude. Le lithium est utilisé dans le traitement des troubles de l'humeur, en particulier du trouble bipolaire, et est également étudié pour avoir des effets sur la maladie d'Alzheimer et de Parkinson7,8,9,10. Le magnésium lui-même présente également des effets neurologiques11. Par conséquent, la dégradation et donc la libération continue du magnésium et des éléments supplémentaires permettraient un traitement local dans le cerveau. Si une libération contrôlée et locale est obtenue grâce à la compréhension de la dégradation du matériau, les effets secondaires pouvant survenir lors du traitement au Li12 pourraient être réduits.

Pour Mg – Li, la structure des matériaux en vrac diffère de celle du Mg pur par une réduction de la distance dans la direction c et un changement de phase vers une phase cubique centrée (bcc) (phase β) pour les fractions de Li plus élevées (phase Mg – Li schéma, fig. 113). Ce changement entraîne un glissement non basal supplémentaire sur les plans prismatiques, un maclage et des propriétés plus ductiles, même dans les alliages hcp Mg – Li. Pour des fractions de Li plus élevées, l’ajout de la deuxième phase peut modifier considérablement les propriétés mécaniques. Li et coll. ont montré que les fissures se forment de préférence aux limites des phases, ce qui est facilité par la différence dans le nombre de systèmes de glissement présents dans les deux phases et, donc, par une différence dans l'accumulation de contraintes14. De plus, le vieillissement de la deuxième phase et le passage de la phase bcc à la phase hcp, même à température ambiante, influencent les propriétés au fil du temps14,15.

Diagramme de phase Mg – Li, adapté de13. La région avec une fraction Li de 0 à 50 % (n/n) est représentée ainsi que la concentration des films échantillons (fraction massique Li de 1,6 % (m/m), 3 % (m/m), 5,5 % (m/ m) et 9,5% (m/m)) sont marqués. De faibles concentrations de Li conduisent à une phase α riche en Mg avec une structure hcp et des concentrations élevées de Li à une phase β avec une structure bcc. Dans les régions de phase mixte, des phases α et β se forment.

Le taux de corrosion des alliages Mg-Li est influencé par plusieurs facteurs tels que la forte activité du Li, le changement de microstructure et les films de surface. Le faible potentiel électrochimique du Li entraîne une augmentation de la cinétique cathodique et un déplacement plus important du pH. La corrosion filiforme s'avère être l'un des principaux processus de corrosion se produisant pour les alliages Mg-Li dans les matériaux α ou α + β16,17,18. Pour les films à phases mixtes, le couplage micro-galvanique apparaît comme un facteur principal d’augmentation du taux de corrosion, avec une corrosion et des piqûres préférées aux limites des phases19,20. Cependant, la diversité de la microstructure et des couches protectrices formées lors de la corrosion rend difficile une indication claire de l’influence des différents facteurs sur la vitesse de corrosion. Li et coll. ont montré que le taux de corrosion diminue de α + β > α > β18. On suppose que le taux de corrosion plus faible de la phase bcc est dû à la densité et à la stabilité élevées de la couche protectrice formée. Alors que pour la phase riche en Mg, une couche principalement poreuse de Mg (OH) 2 devrait se former lors de la corrosion , les structures de couches des films de surface formés sur Mg – Li, y compris la phase bcc, sont complexes. Xu et al., par exemple, ont analysé la structure du film naturel formé dans l'air sous la forme d'un film de Li2CO3 à la surface, d'un film d'oxyde de Mg et d'un film d'oxyde de Li en dessous et d'un film riche en Mg avant le matériau en vrac23. D'autres études revendiquent pour les films formés dans l'air ou lors de la corrosion plusieurs composés, notamment des carbonates, des oxydes et des hydroxydes de Li et de Mg, souvent séparés dans une structure en couches16,24,25. Des études antérieures supposaient ou soupçonnaient que le Li2CO3 formé avait la principale influence sur la résistance à la corrosion plus élevée de la phase bcc23,26,27. Le rapport Pilling – Bedworth (PBR), qui est une mesure de la contrainte du film et identifie ainsi un film stable pour 1 < PBR < 2, est > 1 pour tous les rapports Mg:Li pour Li2CO3. Ainsi, il pourrait déjà être formé pour des fractions massiques de Li inférieures dans la phase hcp . Yan et coll. suggèrent une autre influence possible comme le dopage du Li et donc le renforcement du MgO et l'empêchement de la formation de l'hydroxyde de magnésium plus poreux et moins protecteur. Étant donné que la fraction critique de Li pour former une couche stable de MgO est estimée à environ 15-18 at. % (4,8–5,9%(m/m)), ceci est en accord avec la formation de la couche uniquement sur Mg–Li avec β ou α + β28. Par conséquent, avec l’hypothèse de la formation d’une couche stable de MgO par dopage au Li, les fractions de Li plus élevées entraînent une diminution du taux de corrosion en modifiant la contrainte du film.