Rivestimenti sol-gel di Mg(OH)2 su lega di magnesio AZ31 : sintesi, caratterizzazione e studio della cinetica di degradazione

Metallic materials, such as steel, titanium and its alloys, as well as cobalt chromium molybdenum alloys, are used in many sectors of the biomedical field. Nevertheless, they do not degrade within the organism over time, so implying the need to carry out a further invasive intervention when they need to be removed, with the possibility of infections. For this reason, additional materials with the ability of degrading over time have been sought and in recent years magnesium has proved to be among the best candidates - thanks to its multiple characteristics. However, by corroding too quickly, it generates a significant accumulation of gaseous hydrogen around the system in a very short time, causing an increase in pH and possible tissue necrosis. The purpose of this thesis project is to create a sol-gel coating of Mg(OH)2 on a magnesium alloy AZ31, that slows down its degradation within the human body. The sol-gel solution chosen for the coating is composed of two solutions: one containing Mg(OH)2 sol and the other containing silane (GLYMO) with a proportion of 1: 2. Two types of coatings were obtained by dipping the samples one or three times in the Mg(OH)2 / GLYMO solution. To observe the corrosion rate of the treated and untreated samples, an in vitro degradation test was performed in SBF, and samples were evaluated after 7, 14 and 21 days by measuring their mass variation. Optical microscope and SEM observations were carried out in order to study the morphology of the specimens. The study of the crystalline phases of the surface coating was performed by XRD investigations. In addition, elementary analysis were carried out by EDS spectroscopy. The results obtained show an increase of the degradation times: the treated samples showed good corrosion resistance after 21 days in SBF, with a low degree of corrosion concentrated especially on the edges. The two types of coatings ultimately demonstrated very similar corrosion resistance properties. This circumstance may be due to the high speed of extraction of the sample from the solution, which may have led the coating to thin and drag the excess to the bottom of the sample due to the effect of gravity. Under these conditions the two types of coatings tend to closely resemble each other, and the properties delivered to the sample tend to be similar as well. For these reasons, in the future, attention could be paid to the optimization of the immersion parameters of the sample in solution, particularly to the immersion/extraction speed and the viscosity of the solution itself.

I materiali metallici, come l’acciaio, il titanio e le sue leghe e le leghe di cromo, sono usati in molteplici settori del campo biomedico, ma non degradando col tempo all’interno dell’organismo, comportano la necessità di un ulteriore intervento invasivo nel momento in cui debbano essere rimossi, con la possibilità di infezioni. Per tale motivo, si sono cercati ulteriori materiali con la capacità di degradarsi nel tempo e negli ultimi anni il magnesio si è rivelato tra i migliori candidati grazie alle sue molteplici caratteristiche. Esso, però, corrodendo troppo velocemente genera un notevole accumulo di idrogeno gassoso intorno all’impianto in tempi molto brevi, causando un aumento del pH e possibile necrosi dei tessuti. Scopo del presente progetto di tesi è realizzare un rivestimento sol-gel di Mg(OH)2 su lega di magnesio AZ31 che ne rallenti la degradazione all’interno dell’organismo umano. La soluzione sol-gel scelta per il coating risulta essere composta da due soluzioni: una contenente sol di Mg(OH)2 e l’altra silano (GLYMO) con una proporzione di 1 : 2. Sono stati ottenuti due tipi di rivestimenti immergendo i campioni una o tre volte nella soluzione di Mg(OH)2/GLYMO. Per osservare la velocità di corrosione dei campioni trattati e non, è stato eseguito un test di degradazione in vitro in SBF, per poi valutarli dopo 7, 14 e 21 giorni attraverso la misurazione della loro variazione di massa. Sono state effettuate osservazioni al microscopio ottico e al SEM per studiare la morfologia dei campioni. Lo studio delle fasi cristalline del rivestimento superficiale è stato effettuato mediante indagini XRD. Inoltre, l'analisi elementare è stata effettuata mediante spettroscopia EDS. I risultati ottenuti mostrano un allungamento dei tempi di degradazione: i campioni trattati hanno manifestato una buona resistenza alla corrosione dopo 21 giorni in SBF, con un contenuto grado di corrosione concentrato specialmente sugli spigoli. I due tipi di rivestimento hanno in definitiva dimostrato proprietà di resistenza alla corrosione molto simili. Questa circostanza può essere dovuta alla elevata velocità di estrazione del campione dalla soluzione, che può aver portato il coating ad assottigliarsi e a trascinare l’eccesso in fondo al campione per effetto di gravità. In tali condizioni i due tipi di coating tendono ad assomigliarsi molto, così come le proprietà conferite al campione. Per tali motivi, in futuro si potrebbe porre l’attenzione sull’ottimizzazione dei parametri di immersione del campione in soluzione, con particolare attenzione alla velocità di immersione/estrazione e alla viscosità della soluzione stessa.