A phase field numerical framework for simulating corrosion of biodegradable metal devices

Biodegradable materials are promising candidates to produce temporary fixation devices in the near future, thanks to their advantageous properties. Above all, they progressively degrade in time avoiding the surgical removal procedure. Specifically focusing onto bone healing surgery within the context of orthopaedics and maxillofacial procedures, the ability to sustain even moderate loads and having products of device degradation to naturally enter the physiological metabolism are to be searched. These reasons led the interest towards biodegradable metals and their alloys rather than polymers. In particular, AZ31 magnesium alloy (96%-wt. Mg, 3%-wt. Al, 1%-wt. Zn) is here taken as reference, thanks to its favourable properties. Nevertheless, the main limitation to the use of magnesium and its alloys in the clinic, is their fast and yet uncontrollable corrosion rate, especially within aggressive corrosive environments, as the physiological one. In this context, computational models represent a valid tool to simulate the occurrence of corrosion at device implantation in vivo. This way, the device design and properties could be appropriately tailored to match the requirements due to the specific application. Going through the main computational approaches developed to describe corrosion propagation, the recent perspective of the Phase Field (PF) approach is described in detail. The PF method brings in a multi-physics perspective that allows to combine the simultaneously occurrence of either electro-chemical reactions at the metal-electrolyte interface as well as the action of any kind of mechanical loads that can affect degradation. Exploiting this newer approach to describe corrosion propagation in a physiological environment, an accurate calibration of model parameters was needed. To evaluate the capabilities of the model, a number of relevant case studies have also been addressed, where the PF showed able to account for many phenomena at different length scales. Finally, the case of a patient-specific osteosynthesis plate for Zygomatico-Maxillary Complex (ZMC) fractures was addressed, in order to test the model versatility in adapting to complex, clinically relevant scenarios. In this context, the coupling with the submodelling technique constitutes a viable strategy when it comes to treat complex macroscopic geometries, while still exploiting the full capabilities of the PF in addressing corrosion from the micro-scale perspective of metal-electrolyte interactions. Results of these applications are reported an analyzed. To conclude, further opportunities to enhance model capabilities are explored as refinement possibilities in the next future.

I materiali biodegradabili sono candidati promettenti per la produzione di dispositivi di fissazione temporanea, grazie alle loro proprietà vantaggiose. Su tutte, degradandosi progressivamente nel tempo evitano la necessità di rimozione chirurgica in seguito a guarigione della frattura. In particolare, per la guarigione di fratture ossee in ambito ortopedico e maxillofacciale, la capacità di sostenere carichi, anche moderatamente elevati, è fondamentale, così come il fatto che i prodotti di degradazione del dispositivo devono essere eliminati per via naturale tramite il normale metabolismo fisiologico, senza causare ulteriori complicazioni. Queste ragioni hanno spinto l’interesse verso i metalli biodegradabili e le loro leghe piuttosto che verso i polimeri. In particolare, la lega di magnesio AZ31 (96%-wt. Mg, 3%-wt. Al, 1%-wt. Zn) viene qui presa come riferimento, grazie alle sue proprietà favorevoli. Tuttavia, la principale limitazione all’uso del magnesio e delle sue leghe in clinica è la rapida e incontrollabile velocità di corrosione, soprattutto in ambienti aggressivi come quello fisiologico. In questo contesto, i modelli computazionali rappresentano un valido strumento per simulare il verificarsi della corrosione in seguito all’impianto del dispositivo. In questo modo, il design e le proprietà del dispositivo stesso possono essere propriamente adattati per soddisfare i requisiti dovuti alla specifica applicazione. Tra i principali approcci computazionali per descrivere la propagazione della corrosione, viene qui analizzato in dettaglio il più recente Phase Field (PF). Il metodo PF introduce una prospettiva multi-fisica che consente di combinare il verificarsi simultaneo di reazioni elettrochimiche all’interfaccia metallo-elettrolita e l’azione di qualsiasi tipo di carico meccanico che può influire sulla degradazione. Sfruttando questo nuovo approccio per descrivere la propagazione della corrosione in un ambiente fisiologico, è stata svolta un’accurata calibrazione dei parametri del modello a partire da studi di letteratura. Per valutare le capacità del modello, questo è stato impiegato per affrontare alcune casistiche di rilevanza fenomenologica, in cui il PF si è dimostrato in grado di tener conto di fenomeni a diverse scale di grandezza. Infine, è stato affrontato il caso di una placca di osteosintesi paziente-specifica per fratture del complesso orbito-malare-zigomatico (OMZ), al fine di testare la versatilità del modello nell’adattarsi a scenari complessi e clinicamente rilevanti. In questo contesto, l’accoppiamento con la tecnica di submodelling costituisce una valida strategia al fine di trattare geometrie macroscopiche complesse, sfruttando comunque tutte le capacità del PF nell’affrontare la corrosione dal punto di vista microscopico delle interazioni metallo-elettrolita. I risultati di queste applicazioni sono riportati e analizzati. Per concludere, vengono esplorate ulteriori opportunità per migliorare le capacità del modello qui proposto, come future possibilità di ottimizzazione dell’approccio proposto.