Томский государственный национальный исследовательский университет, Томск, Россия:

А. Н. Моногенов, старший научный сотрудник лаборатории сверхэластичных биоинтерфейсов научного управления, канд. физ.-мат. наук, эл. почта: monogenov@mail.ru
Е. С. Марченко, заведующая лабораторией медицинских материалов и имплантатов с памятью формы Сибирского физико-технического института, доцент, канд. физ.-мат. наук
Г. А. Байгонакова, старший научный сотрудник лаборатории медицинских материалов и имплантатов с памятью формы Сибирского физико-технического института, канд. физ.-мат. наук
А. П. Хрусталев, старший научный сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии научного управления, канд. физ.-мат. наук

Сплавы на основе магния являются перспективными имплантационными материалами, способными после выполнения фиксирующей функции самопроизвольно биорезорбироваться с постепенным замещением части имплантата новой регенерированной костной тканью без негативных последствий для живого организма. В качестве исходных материалов в исследовании использовали чистый магний (99,5 %), металлический цинк (99,9 %) и кальций (99,9 %). Проведено исследование фазового состава, микроструктуры, топологии поверхности и поверхностного потенциала, прочностных свойств, а также скорости биорезорбции магниевых сплавов Mg – 4 Zn – 1 Ca после ультразвукового воздействия магнитострикционным водоохлаждаемым преобразователем. Установлена корреляция объемной доли вторичной фазы Mg₆Ca₂Zn₃ по границам дендритных ячеек со скоростью биорезорбции сплавов в синтетической культуральной среде. Показано, что ультразвуковая обработка снижает скорость биорезорбции магниевых сплавов Mg – 4 Zn – 1 Ca в 18 раз и повышает структурную и фазовую однородность этих сплавов, что проявляется в сокращении примесей внедрения в зернах α-Mg, уменьшении объемной доли β-фазы Mg₆Ca₂Zn₃ по границам дендритных ячеек и параметра шероховатости. В то же время отмечен рост поверхностного потенциала после применения ультразвуковой обработки расплава. Параметр решетки a, объем элементарной ячейки V и соотношение c/a основной α-Mg фазы уменьшаются после воздействия ультразвука на расплав. Установлен рост значений предела прочности на сжатие и максимальной деформации до разрушения после ультразвукового воздействия. Сплавы Mg – 4 Zn – 1 Ca после ультразвуковой обработки расплава проявляют более стабильные механические характеристики, разброс значений минимален.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (соглашение № 075-15-2021-1384).

1. Xu Z., Smith C., Chen S., Sankar J. Development and microstructural characterizations of Mg – Zn – Ca alloys for biomedical applications. Materials Science and Engineering B. 2011. Vol. 176, Iss. 20. pp. 1660–1665. DOI: 10.1016/ j.mseb.2011.06.008.
2. Li Y., Li M., Hu W. et al. Biodegradable Mg – Ca and Mg – Ca – Y alloys for regenerative medicine. Materials Science Forum. 2010. Vol. 654–656. pp. 2192–2195. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.654-656.2192.
3. Koltygin A. V., Bazhenov V. E., Khasenova R. S., Komissarov A. A., Bazlov A. I., Bautin V. A. Effects of small additions of Zn on the microstructure, mechanical properties and corrosion resistance of WE43B Mg alloys. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. 2019. Vol. 26, No. 7. pp. 858–868. DOI: 10.1007/s12613-019-1801-1.
4. Cai S. H., Lei T., Lin F., Feng F. F. Effects of Zn on microstructure, mechanical properties and corrosion behavior of Mg – Zn alloys. Materials Science and Engineering: C. 2012. Vol. 32, No. 8. pp. 2570–2577. DOI: 10.1016/j.msec.2012.07.042.
5. Du H., Wei Z. J., Liu X. W., Zhang E. L. Effects of Zn on the microstructure, mechanical property and bio-corrosion property of Mg – 3 Ca alloys for biomedical application. Materials Chemistry and Physics. 2011. Vol. 125. pp. 568–575. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2010.10.015.
6. Sun Y., Zhang B. P., Wang Y., Geng L., Jiao X. H. Preparation and characterization of a new biomedical Mg – Zn – Ca alloy. Materials and Design. 2012. Vol. 34. pp. 58–64. DOI: 10.1016/j.matdes.2011.07.058.
7. Chengwen Y., Du W., Liu K., Fu J. et al. Mechanical properties and corrosion behaviors of Mg – 4 Zn – 0.2 Mn – 0.2 Ca alloy after long term in vitro degradation. Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2020. Vol. 30. P. 363–372. DOI: 10.1016/S1003-6326(20)65218-9.
8. Zhang E., Yang L., Xu J., Chen H. Microstructure, mechanical properties and bio-corrosion properties of Mg – Si (–Ca,Zn) alloy for biomedical application. Acta Biomaterialia. 2010. Vol. 6. pp. 1756–1762. DOI: 10.1016/j.actbio.2009.11.024.
9. Liu S., Chen Y., Han H. Grain refinement of AZ91D magnesium alloy by a new Mg – 50 % Al₄C₃ master alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2015. Vol. 624. pp. 266–269. DOI: 10.1016/J.JALLCOM.2009.12.064.
10. Luo T., Ji H., Jie C., Zhao F. et al. As-cast structure and tensile properties of AZ80 magnesium alloy DC cast with low-voltage pulsed magnetic field. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2015. Vol. 25, No. 7. pp. 2165–2171. DOI: 10.1016/S1003-6326(15)63828-6.
11. Yao Q., Luo Z., Li Y., Yan F., Duan R. Effect of electromagnetic stirring on the microstructures and mechanical properties of magnesium alloy resistance spot weld. Materials and Design. 2014. Vol. 63. pp. 200–207. DOI: 10.1016/j.matdes.2014.06.004.
12. Lee Y. C., Dahle A. K., Stjohn D. H. The role of solute in grain refinement of magnesium. Metallurgical and Materials Transactions A. 2000. Vol. 31. pp. 2895–2906. DOI: 10.1007/BF02830349.
13. Puga H., Barbosa J., Tuan N. Q., Silva F. Effect of ultrasonic degassing on performance of Al-based components. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2014. Vol. 24. pp. 3459–3464. DOI: 10.1016/S1003-6326(14)63489-0.
14. Chen Xingrui, Ning Fangkun, Hou Jian, Le Qichi, Tang Yan. Dual-frequency ultrasonic treatment on microstructure and mechanical properties of ZK60 magnesium alloy. Ultrasonics Sonochemistry. 2018. Vol. 40. pp. 433–441. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2017.07.027.
15. Fang X., Wu S., Lü S., Wang J., Yang X. Microstructure evolution and mechanical properties of quasicrystal-reinforced Mg – Zn – Y alloy subjected to ultrasonic vibration. Materials Science and Engineering: A. 2016. Vol. 679. pp. 372–378. DOI: 10.1016/j.msea.2016.10.035.
16. Hu Z., Li X., Yan H., Wu X. Q. et al. Effects of ultrasonic vibration on microstructure evolution and elevated-temperature mechanical properties of hot-extruded Mg – 6 Al – 0.8 Zn – 2.0 Sm wrought magnesium alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2016. Vol. 685. pp. 58–64. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.05.210.
17. Chen X., Le Q., Wang X., Liao Q., Chu C. Variable-frequency ultrasonic treatment on microstructure and mechanical properties of ZK60 alloy during large diameter semi-continuous casting. Metals. 2017. Vol. 7, No. 5. p. 173. DOI: 10.3390/met7050173.
18. Khosro Aghayani M., Niroumand B. Effects of ultrasonic treatment on microstructure and tensile strength of AZ91 magnesium alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2011. Vol. 509, Iss. 1. pp. 114–122. DOI: 10.1016/j.jallcom. 2010.08.139.
19. Abramov O. V. High-intensity ultrasonics: Theory and industrial applications. CRC Press, 2020. 700 p. DOI: 10.1201/9780203751954.
20. Liu Q., Zhai Q., Qi F., Zhang Y. Effects of power ultrasonic treatment on microstructure and mechanical properties of T10 steel. Materials Letters. 2007. Vol. 61. pp. 2422–2425. DOI: 10.1016/j.matlet.2006.09.027.
21. Khrustalyov A. P., Akhmadieva A. A., Monogenov A. N., Zhukov I. A., Marchenko E. S., Vorozhtsov A. B. Study of the effect of diamond nanoparticles on the structure and mechanical properties of the medical Mg – Ca – Zn magnesium alloy. Metals. 2022. Vol. 12, Iss. 2. p. 206. DOI: 10.3390/met12020206.
22. Zhang S., Zhao Y., Cheng X., Chen G., Dai Q. High-energy ultrasonic field effects on the microstructure and mechanical behaviors of A356 alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2009. Vol. 470, Iss. 1-2. pp. 168–172. DOI: 10.1016/j.jallcom.2008.02.091.
23. Ramirez A., Qian Ma, Davis B., Wilks T., StJohn D. H. Potency of highintensity ultrasonic treatment for grain refinement of magnesium alloys. Scripta Materialia. 2008. Vol. 59, Iss. 1. pp. 19–22. DOI: 10.1016/j.scriptamat. 2008.02.017.
24. Qian Ma., Ramirez A., Das A. Ultrasonic refinement of magnesium by cavitation: Clarifying the role of wall crystals. Journal of Crystal Growth. 2009. Vol. 311, Iss. 14. pp. 3708–3715. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2009.04.036.
25. Zhang Z., Le Q., Cui J. Influence of high-intensity ultrasonic treatment on the phase morphology of a Mg – 9.0 wt. % Al binary alloy. Rаre metals. 2009. Vol. 28, Iss. 1. pp. 86–90. DOI: 10.1007/s12598-009-0017-3.
26. Zhang J., Zhang Z., Zhang Y., Li S., Liu Y. Effect of Sb on microstructure and mechanical properties in Mg – 10 Zn – 5 Al high zinc magnesium alloys. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2010. Vol. 20, Iss. 3. pp. 377–382. DOI: 10.1016/s1003-6326(09)60149-7.
27. Emadi P., Ravindran C. The influence of high temperature ultrasonic processing time on the microstructure and mechanical properties AZ91E magnesium alloy. Journal of Materials Engineering and Performance. 2021. Vol. 30, Iss. 2. pp. 1188–1199. DOI: 10.1007/s11665-020-05419-z.
28. Chen Yang, Yin Zheng, Yan Hong, Zhou Guo-Hua et al. Effect of samarium on the microstructure and corrosion resistance of AZ91 magnesium alloy treated by ultrasonic vibration. Materials. 2018. Vol. 11, Iss. 11. 2331. DOI: 10.3390/ma11112331.
29. Chen Yang, Yan Hong, Kaizhi Ji, Ling Lishibao et al. Effect of ultrasonic treatment during solidification on corrosion behavior of Mg – 3 Al – 1 Zn and Mg – 4 Zn magnesium alloys. Journal of the Electrochemical Society. 2020. Vol. 167, Iss. 16. 161505. DOI: 10.1149/1945-7111/abcde5.
30. GOST 804–93. Primary magnesium ingots. Specifications. Introduced: 01.01.1997.
31. GOST 3640–94. Zinc. Specifications. Introduced: 01.01.1997.
32. Zeka B., Markoli B., Mrvar P., Medved J., Petriс M. Suitability of moulding materials for Al-Li alloy casting. Materials and Technologies. 2021. Vol. 55, Iss. 2. pp. 311–316. DOI: 10.17222/mit.2020.208.
33. GOST 24104–2001. Laboratory scales. Introduced: 01.07.2002.
34. Yi-Nan Zhang, Dmytro Kevorkov, Jian Li, Elhachmi Essadiqi, Mamoun Medraj. Determination of the solubility range and crystal structure of the Mg-rich ternary compound in the Ca – Mg – Zn system. Intermetallics. 2010. Vol. 18, Iss. 12. pp. 2404–2411. DOI: 10.1016/j.intermet.2010.08.033.
35. Baoping Zhang, Yunlong Hou, Xiaodan Wang, Yin Wang, Lin Geng. Mechanical properties, degradation performance and cytotoxicity of Mg – Zn – Ca biomedical alloys with different compositions. Materials Science and Engineering: C. 2011. Vol. 31, Iss. 8. pp. 1667–1673. DOI: 10.1016/j.msec.2011.07.015.