A biodegradable Fe/Zn–3Cu composite with requisite properties for orthopedic applications

复合数 材料科学 骨科手术 复合材料 生物医学工程 工程类 外科 医学
作者
Xian Tong,Li Zhu,Yihao Wu,Yiting Song,Kun Wang,Shengbin Huang,Yuncang Li,Jianfeng Ma,Cuié Wen,Jixing Lin
出处
期刊:Acta Biomaterialia [Elsevier BV]
卷期号:146: 506-521 被引量:31
标识
DOI:10.1016/j.actbio.2022.04.048
摘要

Zinc (Zn)-based metals and alloys are emerging as promising biodegradable implant materials due to their inherent biodegradability and good biocompatibility. However, this class of materials exhibits low mechanical strength and a slow degradation rate, which hinders their clinical application. Here we report the development of a new biodegradable Fe/Zn-3Cu composite fabricated by infiltration casting of a Zn-3Cu alloy into an Fe foam followed by hot-rolling. Our results indicate that the hot-rolled (HR) Fe/Zn-3Cu composite exhibited an α-Zn matrix phase, a secondary CuZn5 phase, and an α-Fe phase. The HR Fe/Zn-3Cu composite exhibited an ultimate tensile strength of 269 MPa, a tensile yield strength of 210 MPa, and an elongation of 27%. The HR Fe/Zn-3Cu composite showed a degradation rate of 228 µm/year after immersion in Hanks' solution for 30 d The diluted extract of the HR Fe/Zn-3Cu composite exhibited a higher cell viability than that of the HR Zn-3Cu alloy in relation to MC3T3-E1 and MG-63 cells. Furthermore, the HR Fe/Zn-3Cu composite showed significantly better antibacterial ability than that of the HR Zn-3Cu alloy in relation to S. aureus. Overall, the HR Fe/Zn-3Cu composite can be anticipated to be a promising biodegradable implant material for bone-fixation applications. STATEMENT OF SIGNIFICANCE: This work reports a new biodegradable Fe/Zn-3Cu composite fabricated by infiltration casting and followed by hot-rolling for biodegradable bone-fixation application. Our findings demonstrated that the hot-rolled (HR) Fe/Zn-3Cu composite exhibited an ultimate tensile strength of 269.1 MPa, a tensile yield strength of 210.3 MPa, and an elongation of 26.7%. HR Fe/Zn-3Cu composite showed a degradation rate of 227.6 µm/a, higher than HR Zn-3Cu alloy after immersion in Hanks' solution for 30 d The diluted extracts of the HR Fe/Zn-3Cu composite exhibited a higher cell viability than HR Zn-3Cu alloy toward MC3T3-E1 cells. Furthermore, the HR Fe/Zn-3Cu composite showed significantly better antibacterial ability than the HR Zn-3Cu alloy toward S. aureus.
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