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Mechanical properties, corrosion behavior, and in vitro and in vivo biocompatibility of hot-extruded Zn-5RE (RE = Y, Ho, and Er) alloys for biodegradable bone-fixation applications

生物相容性 材料科学 腐蚀 体内 生物医学工程 固定(群体遗传学) 复合材料 冶金 纳米技术 医学 人口 生物 环境卫生 生物技术
作者
Xian Tong,Daoyi Miao,Runqi Zhou,Xinkun Shen,Peng Luo,Jianfeng Ma,Yuncang Li,Jixing Lin,Cuié Wen,Xuecheng Sun
出处
期刊:Acta Biomaterialia [Elsevier]
卷期号:185: 55-72 被引量:14
标识
DOI:10.1016/j.actbio.2024.07.006
摘要

Biodegradable Zn alloys have significant application potential for hard-tissue implantation devices owing to their suitable degradation behavior and favorable biocompatibility. Nonetheless, pure Zn and its alloys in the as-cast state are mechanically instable and low in strength, which restricts their clinical applicability. Here, we report the exceptional mechanical, corrosion, and biocompatibility properties of hot-extruded Zn-5RE (wt.%, RE = rare earth of Y; or Ho; or Er) alloys intended for use in biodegradable bone substitutes. The microstructural characteristics, mechanical behavior, corrosion resistance, cytocompatibility, osteogenic differentiation, and capacity of osteogenesis in vivo of the Zn-5RE alloys are comparatively investigated. The Zn-5Y alloy demonstrates the best tensile properties, encompassing a 138 MPa tensile yield strength, a 302 MPa ultimate tensile strength, and 63% elongation, while the Zn-5Ho alloy shows the highest compression yield strength of 260 MPa and Vickers hardness of 104 HV. The Zn-5Er alloy shows a 126 MPa tensile yield strength, a 279 MPa ultimate tensile strength, 52% elongation, a 196 MPa compression yield strength, and a 101 HV Vickers microhardness. Further, the Zn-5Er alloy has a 130 µm per year corrosion rate in electrochemical tests and a 26 µm per year degradation rate in immersion tests, which is the lowest among the tested alloys. It also has the best in vitro osteogenic differentiation ability and capacity for osteogenesis and osteointegration in vivo after implantation in rat femurs among the Zn-5RE alloys, indicating promising potential in load-bearing biodegradable internal bone-fixation applications. STATEMENT OF SIGNIFICANCE: This work reports the exceptional mechanical, corrosion, and biocompatibility properties of hot-extruded (HE) Zn-5 wt.%-rare earth (Zn-5RE) alloys using single yttrium (Y), holmium (Ho), and erbium (Er) alloying for biodegradable bone-implant applications. Our findings demonstrate that the HE Zn-5Er alloy showed σ
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