Metallurgical development of high-performance biodegradable twinning-induced plasticity steels

Atherosclerosis is one of the most recurring diseases in the world, consisting in obstruction of an artery by fibrous deposits. One of the most used treatments consists in implanting a stent, a tubular metallic mesh, for reopening the artery and restoring blood flow. A stent is normally designed to remain in the patient for all his life, but inflammatory reactions may occur at long terms. Because of this, and also for treating young patients, biodegradable stents were designed. Among them, a magnesium-based device received approval for commercialization in the European Union in 2016. Although this device proved safe in clinical trials, its size is much larger than permanent stents. This is due to the low mechanical properties of the matrix. A family of materials with excellent mechanical properties and a good degradation potential are twinning-induced plasticity steels, made of iron, manganese and carbon. On the other hand, their clinical applicability is currently not possible since their degradation is hindered by formation of a stable product layer during this process. This work proposes to add a small quantity of silver to a steel made of iron, manganese and carbon to accelerate the degradation process without reducing its mechanical properties. The works in this thesis dealt with development of such alloys, their metallurgical validation and the study of their degradation. These studies showed that the addition of silver did not significantly affect mechanical properties of the base alloy. On the contrary, it was observed that this addition modified the alloy structure under plastic deformation and its capability to recover its initial structure after such a deformation. Concerning degradation, the presence of silver did not allow to accelerate this process, being effective only in the first days. In contrast, the evolution of degradation mechanism up to six months detected in this thesis is very close to the behavior observed in animal tests conducted by other researchers. In conclusion, although the retained strategy did not prove effective in attaining the targeted goal, the advances in the understanding of corrosion mechanism and processing of twinning-induced plasticity steels for vascular stents can foster the development of other strategies that are effective in the long term to allow these alloys to degrade in human patients.

L’aterosclerosi è una delle malattie cardiovascolari più diffuse nel mondo, e consiste nell’ostruzione di un’arteria da parte di depositi fibrosi. Uno dei trattamenti più utilizzati consiste nell’impiantazione di uno stent, una struttura metallica tubolare, per riaprire l’arteria e restaurare il flusso sanguigno. Uno stent è normalmente concepito per restare nel paziente per tutta la sua vita, ma delle reazioni infiammatorie possono avere luogo a lungo termine. Per questo motivo, e per poter inoltre trattare pazienti giovani, degli stent biodegradabili sono stati pensati. Tra loro, un dispositivo a base di magnesio ha ricevuto l’approvazione per la commercializzazione nell’Unione Europea nel 2016. Sebbene questo dispositivo si sia dimostrato sicuro in test clinici, le sue dimensioni sono molto più grandi di quelle degli stent permanenti comunemente usati nella pratica clinica a cause delle scarse proprietà meccaniche della matrice. Una famiglia di materiali con eccellenti proprietà meccaniche e un buon potenziale di degradazione sono gli acciai a plasticità indotta da geminazione, composti da ferro, manganese e carbonio. Per contro, la loro applicabilità clinica non è attualmente possibile poiché la loro degradazione è ostacolata dalla formazione di uno strato stabile di prodotti durante questo processo. Questo lavoro propone di aggiungere una piccola quantità d’argento a un acciaio composto da ferro, manganese e carbonio per accelerare il processo di degradazione senza ridurre le sue proprietà meccaniche. I lavori di questa tesi si sono concentrati sullo sviluppo di queste leghe, sulla loro validazione metallurgica e lo studio della loro degradazione. Questi studi hanno mostrato che l’aggiunta di argento non ha influenzato significativamente le proprietà meccaniche dell’acciaio di base. Al contrario, è stato osservato che quest’aggiunta ha modificato la struttura della lega durante una deformazione plastica, oltre alla sua capacità di recuperare la struttura iniziale dopo una tale deformazione. Riguardo la degradazione, la presenza d’argento non ha permesso di accelerare questo processo, essendo efficace soltanto nei primi giorni. Al contrario, l’evoluzione del meccanismo di degradazione fino a sei mesi rilevato in questa tesi è molto vicino a quanto osservato da altri ricercatori in test animali. In conclusione, sebbene la strategia utilizzata non si sia rivelata efficace per raggiungere l’obiettivo prefissato, i progressi nella comprensione del meccanismo di degradazione e della produzione degli acciai a plasticità indotta da geminazione per gli stent vascolari possono permettere lo sviluppo di altre strategie efficaci a lungo termine per permettere la degradazione di queste leghe nel corpo umano.