Caracterização estrutural e degradação de Mg

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12572 (2023) Citar este artigo

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Filmes finos independentes de ligas de Mg-Li (magnésio-lítio) com fração de massa de Li entre 1,6% (m/m) e 9,5% (m/m) foram preparados e estudados quanto à sua estrutura e propriedades de degradação. Com o aumento do teor de Li, a microestrutura se desvia do Mg-Li hexagonal com crescimento colunar estrito e orientação preferencial, e ocorrem Mg-Li e Li2CO3 cúbicos adicionais. A taxa de corrosão foi medida em solução salina balanceada de Hanks por polarização potenciodinâmica e medições de perda de peso para investigar a biodegradação. Influências da orientação, fase e formação da camada protetora levam a um aumento na corrosão de 1,6 para 5,5% (m/m) de 0,13 ± 0,03 para 0,67 ± 0,29 mm/ano quando medido por polarização potenciodinâmica, mas uma taxa de corrosão semelhante para 9,5% (m/m) e 3% (m/m) de Li de 0,27 ± 0,07 mm/ano e 0,26 ± 0,05 mm/ano.

O magnésio e suas ligas são amplamente estudados como materiais para aplicações na área médica devido à sua biodegradabilidade. Diferentes elementos como, por exemplo, Ca, Zn ou elementos de terras raras (REE) são incluídos para melhorar as propriedades mecânicas ou adaptar a taxa de degradação para ajustá-los para aplicações como, por exemplo, stents ou implantes ósseos1,2,3,4. Além da vantagem de ter um implante que se degrada depois de não ser mais necessário, os possíveis efeitos terapêuticos dos implantes são explorados, por exemplo, carregando stents com camadas farmacológicas5 ou usando o processo de corrosão e alterações no ambiente, como o pH e evolução do hidrogênio diretamente por suas propriedades antibacterianas6.

Seguindo a ideia de utilizar o próprio implante como tratamento, uma liga incluindo o elemento terapeuticamente ativo lítio será analisada neste estudo. O lítio é usado em tratamentos para transtornos de humor, em particular transtorno bipolar, e também é estudado por ter efeitos nas doenças de Alzheimer e Parkinson7,8,9,10. O próprio magnésio também apresenta efeitos neurológicos11. Portanto, a degradação e, portanto, a liberação contínua tanto do magnésio quanto de elementos adicionais permitiria um tratamento local no cérebro. Se uma liberação controlada e local for alcançada através da compreensão da degradação do material, os efeitos colaterais que podem ocorrer durante o tratamento com Li12 poderão ser reduzidos.

Para Mg-Li, a estrutura em materiais a granel difere do Mg puro por uma redução da distância na direção c e uma mudança de fase para uma fase cúbica de corpo centrado (bcc) (fase β) para frações de Li mais altas (fase Mg-Li diagrama, Fig. 113). Esta mudança leva a deslizamento não basal adicional nos planos prismáticos, geminação e propriedades mais dúcteis, mesmo em ligas hcp Mg-Li. Para frações superiores de Li, a adição da segunda fase pode alterar significativamente as propriedades mecânicas. Li et al. mostraram que as trincas são formadas preferencialmente nos limites das fases, o que é facilitado pela diferença no número de sistemas de deslizamento presentes em ambas as fases e, portanto, pela diferença no acúmulo de tensões . Além disso, o envelhecimento da segunda fase e a mudança da fase bcc para a fase hcp mesmo à temperatura ambiente influenciam as propriedades ao longo do tempo .

Diagrama de fases Mg-Li, adaptado de 13. A região com uma fração de Li de 0 a 50% (n/n) é representada e a concentração de filmes de amostra (fração de massa de Li de 1,6% (m/m), 3% (m/m), 5,5% (m/ m) e 9,5% (m/m)) estão marcados. Concentrações baixas de Li levam a uma fase α rica em Mg com uma estrutura hcp e altas concentrações de Li a uma fase β com uma estrutura bcc. Nas regiões de fase mista, a fase α e a fase β são formadas.

A taxa de corrosão das ligas Mg-Li é influenciada por diversos fatores, como a alta atividade do Li, mudança de microestrutura e filmes superficiais. O baixo potencial eletroquímico do Li leva a um aumento na cinética catódica e a uma mudança mais significativa no pH. A corrosão filiforme é considerada um dos principais processos de corrosão que ocorrem em ligas de Mg-Li nos materiais α ou α + β . Para filmes com fases mistas, o acoplamento microgalvânico é encontrado como o principal fator para um aumento na taxa de corrosão, com corrosão e corrosão preferidas nos limites das fases . No entanto, a diversidade de microestrutura e camadas protetoras formadas durante a corrosão dificulta uma indicação clara da influência dos diferentes fatores na taxa de corrosão. Li et al. mostraram que a taxa de corrosão diminui de α + β > α > β18. Supõe-se que a menor taxa de corrosão da fase CCC seja devida à alta densidade e estabilidade de uma camada protetora formada. Enquanto para a fase rica em Mg, espera-se que se forme principalmente uma camada porosa de Mg (OH) durante a corrosão, as estruturas das camadas dos filmes superficiais formados em Mg-Li, incluindo a fase CCC, são complexas. Xu et al., por exemplo, analisaram a estrutura do filme natural formado no ar como um filme de Li2CO3 na superfície, filme de óxido de Mg e óxido de Li por baixo e filme rico em Mg antes do material a granel . Outros estudos afirmam que para filmes formados no ar ou durante a corrosão vários compostos, incluindo carbonatos, óxidos e hidróxidos de Li e Mg, muitas vezes separados em uma estrutura de camadas . Estudos anteriores assumiram ou suspeitaram que o Li2CO3 formado tem a principal influência na maior resistência à corrosão da fase CCC . A razão Pilling-Bedworth (PBR), que é uma medida da tensão do filme e, portanto, identifica um filme estável para 1 < PBR < 2, é > 1 para todas as relações Mg:Li para Li2CO3. Assim, já poderia ser formado para frações de massa de Li mais baixas na fase hcp . Yan et al. sugerem outra possível influência como a dopagem do Li e, portanto, fortalecendo o MgO e dificultando a formação do hidróxido de magnésio mais poroso e menos protetor. Uma vez que a fração crítica de Li para formar uma camada estável de MgO é calculada em torno de 15–18 at. % (4,8–5,9%(m/m)), isso está de acordo com a formação da camada apenas em Mg –Li com β ou α + β28. Portanto, com a suposição da formação de uma camada estável de MgO pela dopagem com Li, as frações mais altas de Li levam a uma diminuição na taxa de corrosão, alterando a tensão do filme.