THE STUDY ABOUT FINITE ELEMENT ANALYSIS OF DEGRADATION MG ALLOY FOR BIOMEDICAL IMPLANT

Abstract

ABSTRACT

The increasing demand for biodegradable and biocompatible metallic materials in medical applications has led to extensive research on the use of magnesium (Mg) and its alloys (Mg alloys) as potential candidates for implantable devices. What makes magnesium and its alloys potential candidates for use as biodegradable metallic materials are their unique biocompatibility and biodegradability advantages over traditional metallic biomaterials such as titanium alloys, stainless steel, cobalt-chromium based alloys etc. However, the corrosion behaviour of magnesium and its alloys remains a critical concern that hinders their widespread implementation in the medical fraternity. AT31 magnesium alloy (Mg-2.5Al-1.0Sn-0.3Mn-0.4La-1.33Gd) produced by casting is used in this thesis. The alloy was homogenised at 350°C and hot rolling was performed at three different temperatures, 350°C, 400°C, and 500°C, to deform the alloy from 5 mm to 3.5 mm, 4.0 mm, and 4.5 mm thicknesses, thus resulting in three different sample classification (Mg350s, Mg400s, and Mg500s respectively). During hot rolling, the thickness deformation rates were 30%, 20%, and 10% respectively. Corrosion experimental procedures were performed to investigate the corrosion performance of each alloy. The electrochemical parameters obtained from the experiments such as corrosion current (Icorr), corrosion potential (Ecorr) etc., were used in the computation modelling and simulation of the corrosion process of the various magnesium samples.

Comprehensive models are developed to simulate the corrosion process and performance of the magnesium alloy implants under physiological conditions in COMSOL Multiphysics. Finite element techniques are used to solve complex partial differential equations (PDEs) of a given model in COMSOL Multiphysics.

The aim of this thesis is to compare three magnesium alloys – AT31 magnesium alloys, regarding their corrosion resistance in a physiological environment as well as evaluate the effectiveness of the simulation methods for verifying the experimental findings related to the corrosion performance of these magnesium alloys.

ÖZET

Tıbbi uygulamalarda biyolojik olarak parçalanabilen ve biyouyumlu metalik malzemelere yönelik artan talep, magnezyum (Mg) ve alaşımlarının (Mg alaşımları) implante edilebilir cihazlar için potansiyel adaylar olarak kullanımı konusunda kapsamlı araştırmalara yol açmıştır. Magnezyum ve alaşımlarını biyolojik olarak parçalanabilir metalik malzemeler olarak kullanım için potansiyel adaylar haline getiren şey, titanyum alaşımları, paslanmaz çelik, kobalt-krom bazlı alaşımlar gibi geleneksel metalik biyomalzemelere göre benzersiz biyouyumluluk ve biyolojik olarak parçalanabilirlik avantajlarıdır. Bununla birlikte, magnezyum ve alaşımlarının korozyon davranışı, tıp dünyasında yaygın olarak uygulanmalarını engelleyen kritik bir endişe kaynağı olmaya devam etmektedir. Bu tezde döküm yoluyla üretilen AT31 magnezyum alaşımı (Mg-2.5Al-1.0Sn-0.3Mn-0.4La-1.33Gd) kullanılmıştır. Alaşım 350°C'de homojenize edilmiş ve 350°C, 400°C ve 500°C olmak üzere üç farklı sıcaklıkta sıcak haddeleme gerçekleştirilerek alaşım 5 mm'den 3,5 mm, 4,0 mm ve 4,5 mm kalınlıklara deforme edilmiş, böylece üç farklı numune sınıflandırması (sırasıyla Mg350s, Mg400s ve Mg500s) elde edilmiştir. Sıcak haddeleme sırasında kalınlık deformasyon oranları sırasıyla %30, %20 ve %10 olmuştur. Her bir alaşımın korozyon performansını araştırmak için korozyon deneysel prosedürleri gerçekleştirilmiştir. Deneylerden elde edilen korozyon akımı (Icorr), korozyon potansiyeli (Ecorr) vb. elektrokimyasal parametreler, çeşitli magnezyum numunelerinin korozyon sürecinin hesaplama modellemesinde ve simülasyonunda kullanılmıştır.

COMSOL Multiphysics'te fizyolojik koşullar altında magnezyum alaşımlı implantların korozyon sürecini ve performansını simüle etmek için kapsamlı modeller geliştirilmiştir. COMSOL Multiphysics'te belirli bir modelin karmaşık kısmi diferansiyel denklemlerini (PDE'ler) çözmek için sonlu eleman teknikleri kullanılmıştır.

Bu tezin amacı, üç magnezyum alaşımını - AT31 magnezyum alaşımları, fizyolojik bir ortamda korozyon dirençleri açısından karşılaştırmak ve bu magnezyum alaşımlarının korozyon performansı ile ilgili deneysel bulguları doğrulamak için simülasyon yöntemlerinin etkinliğini değerlendirmektir.