AZ31-calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) composites produced by friction stir processing: controlling the degradation by enhancing the biomineralisation

ABSTRACT

In the present work, calcium deficient hydroxyapatite (CDHA) was dispersed into the surface of AZ31 Mg alloy within the solid state by friction stir processing and the role of the refined microstructure and the presence of nano-CDHA on biomineralization and corrosion performance was investigated. Fine grains (1.6 ± 2.1 µm) have been produced in AZ31-CDHA composite compared with base alloy (41 ± 6.1 µm) and nano-CDHA was observed as reinforced into AZ31 matrix. X-ray diffraction analysis confirms the texture change due to FSP in the composite. Wettability studies carried out by measuring contact angles on the surface of the composites indicated increased surface energy (37.27 ± 5.1 mJ/m2) compared with the base alloy (20.55 ± 3.4 mJ/m2) . From the potentiodynamic polarization studies, lower corrosion current density (1.69 ± 1.13 × 10-5 A/cm2) was observed for the composite. From the immersion studies in simulated body fluids, higher level of biomineralization on the composite helped to decrease the degradation rate as reflected from the lower weight loss (7.5 ± 1.1 %) compared with the base alloy (12.1 ± 1.3 %). The results demonstrate the promising role of enhanced biomineralization on controlling the degradation of AZ31-CDHA composite..

Le développement de composites à matrice métallique (MMC) dégradables pour des applications d’implants temporaires constitue un domaine de recherche potentiel en génie biomédical. La production de composites à base de magnésium (Mg) par différentes stratégies pour les adapter aux applications d’implants dégradables est largement observée dans la littérature scientifique récente. Dans le travail courant, on a dispersé de l’hydroxyapatite déficiente en calcium (CDHA) dans la surface de l’alliage en Mg AZ31 à l’état solide par traitement par friction-malaxage et l’on a examiné le rôle de la microstructure raffinée et de la présence de nano-CDHA sur les performances de biominéralisation et de corrosion. On a produit des grains fins (1.6 ± 2.1 μm) dans le composite AZ31-CDHA par rapport à l’alliage de base (41 ± 6.1 μm) et l’on a observé que le nano-CDHA était bien renforcé dans la matrice d’AZ31. Les grains avaient une distribution bimodale dans la zone de malaxage. L’analyse par diffraction des rayons X confirme le changement de texture dû au FSP dans le composite. Les études de mouillabilité réalisées par la mesure des angles de contact à la surface des composites ont indiqué une énergie de surface accrue (37.27 ± 5.1 mJ/m²) par rapport à l’alliage de base (20.55 ± 3.4 mJ/m²). À partir des études de polarisation potentiodynamique, on a observé une densité du courant de corrosion plus faible (1.69 ± 1.13 × 10⁻⁵ A/cm²) pour le composite. Les morphologies de surface après l’essai électrochimique ont indiqué des piqûres plus petites sur la surface des composites par rapport à l’alliage de base. À partir des études d’immersion dans le liquide biologique simulé, on a noté un niveau plus élevé de biominéralisation sur le composite, ce qui a aidé à diminuer le taux de dégradation, tel que reflété par la perte de poids inférieure (7.5 ± 1.1%) pour le composite par rapport à l’alliage de base (12.1 ± 1.3%). Les résultats démontrent le rôle prometteur d’une biominéralisation améliorée dans le contrôle de la dégradation du composite AZ31-CDHA.

KEYWORDS:

• Composites
• magnesium
• CDHA
• biomineralisation
• degradation
• corrosion
• medical implants

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