Static degradation immersion test as a method to validate the corrosion behavior of pure iron as biodegradable alloy

Degradable materials play an important role in biomedical field, especially in cardiovascular applications. They have to fulfill specific requirements such as suitable mechanical and biological properties and present an adequate degradation rate. Degradation rate can be evaluated through static degradation immersion test (SDIT), which is regulated by the ASTM NACE G31 standard. The test foresees the exposition of a sample of appropriate geometry and surface finishing to a pseudo physiologic medium for a specific duration, for example 14 days. In the present work a series of SDITs were used to evaluate the corrosion behavior of pure Fe, varying the frequency of the solution change. Three different SDIT setups were used for pure iron: the first without any solution change, the second with a solution change at day 4 and day 9, and the third with a solution change every two days. The duration of the test for all the setups was 14 days. After the test, the sample surface showed the effects of a homogeneous degradation mechanism, but differences in the corrosion pattern were highlighted, as degradation products had not the same morphology and chemical composition during the degradation process. Degradation products found on the surface of the samples had different chemical composition compared to those collected from the waste solution: those found on the degraded surface of FN sample were mainly Fe oxides or hydroxides, while FY surface showed the presence of Ca compounds. FT surface samples showed a crystalline structure: they could be phosphorus compound since a high amount of phosphorus was found by EDS analyses. FN and FY samples present a similar corrosion rate, while FT samples were found to degrade faster. The change of solution every two days provided a constant supply of anions accelerating the corrosion process.

L’aterosclerosi è una tra le più diffuse malattie cardiovascolari e si manifesta tramite il deposito di grassi e coaguli di sangue nelle arterie: l’accumulo di tali residui all’interno dei vasi genera un ostacolo al normale flusso sanguigno.Le due tecniche utilizzate per il trattamento dell’aterosclerosi sono il bypass e l’angioplastica percutanea transluminare. In questo contesto, è di primaria importanza il ruolo degli stents: essi sono delle protesi metalliche tubulari, che presentano una geometria aperta e, inseriti in prossimità del restringimento, permettono di alleviare gli effetti dell’aterosclerosi e di intervenire anche in situazioni urgenti. Il materiale di riferimento (gold standard) dei con cui gli stents vengono fabbricati è l’AISI 316 in quanto presenta un buon compromesso tra sforzo e deformazione, proprietà meccaniche importanti per adempiere questo scopo. Uno stent ha generlamente compiuto il proprio ruolo dopo circa 6 mesi dal suo posizionamento, in quanto l’arteria ha completato il suo processo di guarigione: perciò risulta inutile la presenza del dispositivo all’interno del corpo umano per tempi più lunghi. Da qui nasce l’idea dell’utilizzo di materiali biodegradabili per la fabbricazione di stent coronarici. . Gli stents devono svolgere la loro funzione di supporto meccanico fino a che i vasi sanguigni lo richiedano e poi degradarsi in modo uniforme con un rilascio di ioni e una formazione di prodotti di degradazione non tossici e tollerabili dai tessuti circostanti e dal corpo umano in generale. Magnesio, zinco e ferro sono i materiali più studiati per questo scopo.raggiungimento di un tasso di corrosione (corrosion rate, CR) più elevato. La velocità di degradazione può essere valutata con differenti metodi elettrochimici:  Test potenziodinamici  Test di immersione statica  Test dinamici Il test di immersione statica è preso in considerazione in questo lavoro. Esso è regolato dalla norma ASTM NACE G31 e prevede l’immersione del campione in una soluzione fisiologica per 14 giorni. L’elettrolita scelto, la soluzione di Hanks modificata, è una soluzione pseudo-fisiologica, la cui composizione ionica è simile al plasma umano. Il calcolo della velocità di degradazione viene effettuato sulla base della perdita di massa del campione. In questo progetto è stata introdotta la variabile del cambio di soluzione per studiarne gli effetti sul comportamento a corrosione dei materiali studiati. Il cambio di soluzione vuole mimare la dinamicità del flusso sanguigno che si manifesta con l’apporto di nuovi ioni in corrispondenza della superficie del materiale in esame. Questa procedura è stata applicata a tre gruppi di campioni di ferro puro. In particolare, il primo gruppo non ha subito cambi di soluzione fino alla conclusione dell’esperimento. Il secondo gruppo è stato sottoposto a cambio di soluzione nel giorno 4 e nel giorno 9; il terzo e ultimo gruppo ha subito un cambio di soluzione ogni due giorni. La durata totale di ciascun test è di 14 giorni, come suggerito dalla norma. La topografia dei tre gruppi di campioni, in seguito al test, non presenta particolari differenze. La corrosione risulta essere di tipo generalizzato sulla superficie dei campioni dal momento che non sono presenti segni di corrosione localizzata per pitting. Si registrano però delle discrepanze per quanto riguarda la formazione dei prodotti di degradazione e per quanto concerne la velocità di degradazione. Differenze sostanziali possono essere notate per quanto riguarda la dimensione dei prodotti di degradazione. I prodotti di degradazione dei campioni sottoposti a cambio di soluzione ogni due giorni (FT) presentano dimensioni maggiori (qualche m) rispetto a quelli degli altri due campioni (FN e FY). Il campione sottoposto a cambi di soluzione ogni due giorni presenta un tasso di corrosione maggiore, e precisamente più del doppio, rispetto agli altri due gruppi. Questo potrebbe essere dovuto alla maggiore disponibilità di ioni liberi causata dal cambio frequente di soluzione che porta di conseguenza a una corrosione più rapida.