Assessing the degradation behavior of magnesium alloys using electrochemical methods

Abstract

Introduction: Magnesium, a biodegradable biomaterial, has the potential to be applied in dental implantology as a bone augmentation material. The electrochemical characterization of the surface allows us to trace the deterioration process in vivo. The difficulty is to estimate the deterioration rate from the measurement data in order to predict the component's "lifetime". The formation of local elements should be avoided, ideally evenly distributed, so that a degradation takes place from the outside to the inside. This should ensure that the degradation of the Mg structure takes place as far as possible at the rate at which the bone is newly formed. The aim of the work was to carry out a more detailed evaluation of the degradation behavior on different Mg samples by microscopic observation of the surface during the electrochemical measurement. Methods: Setting up an optical-electrochemical cell chamber with magnesium and magnesium alloys in electrochemical corrosion measurements. Observing and recording the surface degradation process under microscope. At 37°C, specimens were examined in several circulating electrolytes, including MEM, HBSS, and MEM+ (MEM supplemented with NaHCO3). CV was measured followed by cycle polarization, which was then repeated previous steps after 30mins. Thus, it is possible to observe and correlate surface processes such as hydrogen evolution and oxide deposition in real time with electrochemical data. The electrochemistry data, which included the OCP exchange current density(i0) and corrosion potential, were compared to the potential changes that occurred over time throughout these treatments. They were computed in this instance using RP obtained from linear polarization and an estimate of the Stern–Geary constant. Additionally, the linear polarization curve and EC exchange current corrosion value are used to determine how magnesium and magnesium alloys evolve throughout the corrosion process. Result: The corrosion behavior of pure Mg and MgXAg alloys differs significantly. Adding Ag to magnesium standardizes electrochemical activity and hence deterioration independent of test medium. After the tests, the video microscopic movies indicate comparable corrosion and deterioration in CO2-containing electrolytes. Throughout OCP measurements, the surface develops distinctive patches that remain stable even during CV. Conclusion: Video microscopic observation of the degradation of Mg and Mg alloys raises a variety of new questions for assessing the degradation. The question of how the Ag additives act in the Mg alloy and act as possible hydrogen development spots can currently only be suspected. Further investigations are necessary to find an answer to these and other questions. For this purpose, strategies for image evaluation still have to be developed, which allow, among other things, an effective determination of the electrochemically active surface.

Einleitung: Magnesium, ein biologisch abbaubares Biomaterial, hat das Potenzial, in der dentalen Implantologie als Knochenaufbaumaterial verwendet zu werden. Mit Hilfe der elektrochemischen Charakterisierung der Oberfläche ist es möglich, den Degradationsprozess so zu verfolgen, wie er auch in-vivo abläuft. Die Herausforderung besteht darin, aus den Messdaten die Degradationsgeschwindigkeit so zu bestimmen, dass eine verlässliche Prognose für die „Lebenszeit“ des Bauteils möglich wird. Es sollte die Bildung von Lokalelementen vermieden werden, idealerweise also gleichmäßig verteilt, so dass ein Abbau von außen nach innen erfolgt. So sollte sichergestellt werden, dass der Abbau der Mg-Struktur möglichst mit der Geschwindigkeit erfolgt, mit der der Knochen neu gebildet wird. Methoden: Aufbau einer optisch-elektrochemischen Zelle für elektrochemische Korrosionsmessungen an Magnesium und Magnesiumlegierungen. Beobachtung und Aufzeichnung des Oberflächenveränderungen unter dem Videomikroskop. Bei 37 °C wurden die Proben in verschiedenen, zirkulierenden Elektrolyten untersucht, darunter MEM, HBSS und MEM+ (MEM ergänzt mit NaHCO3). Zuerst wurde der OCP gemessen, dann ein CV und dann nach 30 Minuten eine Wiederholung der gleichen Schritte. Somit war es möglich, Oberflächenprozesse wie Wasserstoffentwicklung und Oxidabscheidung in Echtzeit zu beobachten und mit elektrochemischen Daten zu korrelieren. Die elektrochemischen Daten, OCP, Austauschstromdichte i0 und das Korrosionspotential, wurden für die Bewertung der Degradation herangezogen. I0 als Maß für die Degradationsgeschwindigkeit wurden in diesem Fall unter Verwendung von RP und der Stern-Geary-Konstante aus den verschiedenen CV berechnet. Der Mittelwert und die Standardabweichung sind in den Tabellen im Ergebnisteil zusammengefasst. Ergebnisse: Die Ergebnisse zeigen, dass es deutliche Unterschiede im Korrosionsverhalten zwischen den reinen Mg Proben und den MgXAg Legierungen gibt. Die Zugabe von Ag zu Magnesium führt zu einer Vereinheitlichung der elektrochemischen Aktivität und somit des Abbaus unabhängig vom gewählten Testmedium. Die videomikroskopischen Aufnahmen zeigen am Ende der Messungen in den CO2 haltigen Elektrolyten ähnliche Korrosions- respektive Degradationsspuren. Während der Zeit der OCP Messungen zeigen sich schon erste charakteristische Spots auf der Oberfläche, die auch während der CV sich nicht verändern. Schlussfolgerung: Die videomikroskopische Beobachtung der Degradation von Mg und Mg-Legierungen wirft eine Vielzahl neuer Fragen zur Beurteilung der Degradation von Mg- und Mg-Legierungen auf. Die Frage wie die Ag Zusätze in der Mg Legierung agieren und als mögliche Wasserstoffentwicklungsspots fungieren kann momentan nur vermutet werden. Hier sind weiter Untersuchungen notwendig, um auf diese und andere Fragen eine Antwort zu finden. Hierzu müssen noch Strategien zur Bildauswertung entwickelt werden, die u.a. eine effektive Bestimmung der elektrochemisch aktiven Oberfläche erlauben.