Biomechanical performance of magnesium stents obtained by ultrasonic-microcasting. Numerical modeling and material experimental characterization

Abstract

O desejo constante de superação impulsiona a evolução num mundo moderno onde a mudança ocorre a uma velocidade estonteante. Os desafios tecnológicos e sociais são cada vez mais ambiciosos, o que se traduz na necessidade de soluções extraordinárias, uma situação transversal a todas as áreas do conhecimento. Tomando a área da manufatura e materiais como exemplo, tal torna-se evidente. Aplicações no âmbito das áreas aeroespacial, biomédica e ambiental encabeçam os interesses e prioridades das comunidades científica e industrial, o que é justificado pelo impacto que qualquer avanço nesses domínios poderá significar para a sociedade. Neste sentido, existe uma necessidade de materiais e processos que possibilitem obter o desempenho requerido para aplicação em cenários de grande exigência, como os referidos. O magnésio e as suas ligas são considerados fortes candidatos para aplicação nas áreas em questão, especialmente para o fabrico de stents biodegradáveis, dada a sua excelente biocompatibilidade. Não obstante, a sua baixa conformabilidade à temperatura ambiente, a elevada reatividade e fácil ignição durante o e rápida degradação sob condições fisiológicas dificulta a sua aplicação alargada. O presente estudo focou-se na investigação do potencial da aplicação de tratamento por ultrassons no processo de fundição da liga de magnésio AZ91D-Ca, com o objetivo de melhorar as propriedades do material através da modificação da sua microestrutura. O tratamento foi aplicado em dois momentos distintos: (i) no banho metálico, de forma a promover a sua desgaseificação e (ii) durante o vazamento e solidificação do material, de modo a promover a afinação e modificação da microestrutura. A degradação do material e consequente efeito nas propriedades mecânicas foi investigada através da realização de testes dinâmicos de imersão em Earle’s Balanced Salt Solution. As curvas de tensão-deformação resultantes dos ensaios de tração do material imerso até 7 dias foram utilizadas como dados de entrada do modelo numérico desenvolvido com o objetivo de simular o processo de colocação do stent e otimizar a sua geometria. Os resultados obtidos demonstraram que o tratamento por ultrassom pode modificar significativamente a microestrutura da liga de magnésio AZ91D-Ca, melhorando as suas propriedades mecânicas e de resistência à corrosão, o que, de acordo com os dados obtidos através da simulação numérica, se mostrou determinante no desempenho do stent.

In the modern world, change happens at lightning speed, and the eagerness for great deeds drives evolution. The technological and societal goals are increasingly ambitious, translating into the need for outstanding and complex solutions: this is a transversal and unquestionable truth to all the knowledge areas. Considering the manufacturing and materials area example, this becomes crystal clear. The aerospace, biomedical, and environmental-related applications have been leading the interests and priorities of both research and industrial communities, which is motivated by the potential impact any advance in this area can have in society. In this sense, there is a need for materials and processes that can offer the properties required for application in such demanding scenarios. Magnesium and its alloys are considered strong candidates for these applications, especially biodegradable stents manufacturing, because of their excellent biocompatibility. Nonetheless, some issues, such as poor formability at room temperature, high reactivity and easy ignition during the melting process and loss of mechanical strength motivated by fast degradation under physiological conditions, hinder their widespread. This study investigated the potential of applying ultrasound treatment to the casting process of AZ91D-Ca alloys, aiming at improving the material’s properties by tailoring their microstructure. Ultrasonic vibration was applied in two moments: (i) to the magnesium melt to promote its degassing and (ii) during the pouring and subsequent solidification to induce microstructural refinement and modification. Dynamic immersion tests in Earle’s Balanced Salt Solution were carried out to assess the degradation behavior of the material and its effect on the mechanical properties. Uniaxial tensile tests were performed on the material after immersion for up to seven days, and the strain-stress curves were used as input data for a numerical model developed to simulate the stent deployment procedure and optimize the device’s design. It has been demonstrated that ultrasound treatment could significantly modify the microstructure of AZ91D-Ca alloys, improving their mechanical and corrosion properties. Furthermore, the material’s enhanced properties have been demonstrated to play a significant role in the stent performance assessed through numerical simulation, stressing the potential of this technique for manufacturing magnesium-based biomedical devices.