Development of magnesium-based alloys for biomedical applications
(Développement d'alliages à base de magnésium pour applications biomédicales)

Thèse soumise à l'embargo de l'auteur jusqu'au 02/04/2020 (communication intranet).
URL d'accès : http://ori-nuxeo.univ-lille1.fr/nuxeo/site/esupver...

Auteur(s):  Bhat Panemangalore, Devadas
Date de soutenance : 2019
Éditeur(s) : Université Lille1 - Sciences et Technologies 

Langue : Anglais
Directeur(s) de thèse :  Shabadi, Rajashekhana ; Ji, Gang
Laboratoire : Unité matériaux et transformation (UMET)
Ecole doctorale : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq)

Classification : Génie chimique, technologies alimentaires
Discipline : Physique et Science des matériaux
Mots-clés : caractérisation microstructurale
Magnésium -- Alliages -- Propriétés mécaniques -- Biocompatibilité
Implants orthopédiques -- Biodégradation
Magnésium -- Corrosion
Toxicologie cellulaire
Erbium
Revêtement de surface
Fluorures

Résumé : Étant donné leur capacité à se dégrader à l'intérieur du corps, les implants biodégradables ont fait l'objet de nombreuses recherches médicales. Parmi tous les matériaux, c'est le magnésium, un élément indispensable du corps humain, qui conduit aux résultats les plus favorables car son module d'Young est similaire à celui de l'os. De ce fait, les méthodes adoptées afin d'améliorer le comportement du magnésium pur vis-à-vis de la corrosion sont les suivantes: a)Ajout d'éléments d'alliage comme le zinc, le calcium et l'erbium (Mg-2Zn-2Er, Mg-2Zn-0.6Ca-1Er, etc.) pour contrôler le comportement de dégradation b) Procédés secondaires tels que l'extrusion pour modifier sa microstructure c)Revêtements de surface à base de fluorure pour mieux protéger la surface. La première partie de cette thèse porte sur la caractérisation microstructurale d'alliages. La caractérisation microstructurale révèle la présence de MgZn2, de phases W (Mg3Zn3Er2) et i (Mg3Zn6Er) dans différents alliages. L'évaluation des propriétés mécaniques a révélé une augmentation des propriétés de traction et de compression des alliages ternaires et quaternaires par rapport aux alliages de Mg et de Mg-2Zn. Ces propriétés mécaniques améliorées sont attribuées à une réduction de la taille des grains, à la présence d'atomes de soluté et à des phases secondaires. Mg-2Zn-2Er et Mg-3Zn-0.5Er présentaient une résistance à la corrosion améliorée en raison de la microstructure à granulométrie fine et d'une répartition uniforme des phases secondaires. La viabilité cellulaire a été améliorée avec l'épaisseur du temps de revêtement et ces alliages pourraient servir de candidats potentiels pour d'autres tests in vivo.


Résumé (anglais) : With the ability to bio-degrade and thereby reducing the stress-shielding effect, biodegradable implants are of great importance in medical research. Among all the materials, magnesium is the one which shows promising results being bio-degradable and with the properties comparable with its young's modulus to that of bones. In the present study, the approaches adopted to improve the mechanical and corrosion behaviors of pure magnesium using carefully chosen: (a) Alloying elements like zinc, calcium and erbium (Mg-2Zn-2Er, Mg-2Zn-0.6Ca-1Er, etc.) to control the degradation behavior (b) Secondary processes like extrusion to alter and improve the microstructure (c) Surface treatments like fluoride coatings to further protect the surface to resist the rapid dissolution. The first part of this thesis focuses on the microstructural characterization of as-DMDed and as-extruded alloys. The microstructural characterization (XRD and TEM) reveals the presence of MgZn2, W-phase (Mg3Zn3Er2) and i-phases (Mg3Zn6Er) in different alloys. The mechanical property assessment revealed an increment in the tensile and compressive properties of ternary and quaternary alloys as compared to pure Mg and Mg-2Zn binary alloy. These values are attributed to a reduction in grain size, presence of solute atoms and secondary phases. Mg-2Zn-2Er and Mg-3Zn-0.5Er showed enhanced corrosion resistance due to the fine grain sized microstructure and a uniform distribution of secondary phases. The cell viability values were enhanced with increased coating time and it was found that these alloys could serve as potential candidates for further in-vivo tests to establish their applicability.


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