Development of a new technique for manufacturing biodegradable magnesium stents

Abstract

Nos últimos anos, o magnésio e as suas ligas têm sido o principal foco de vários estudos, tanto a nível académico como industrial. As propriedades mecânicas deste material, devido à sua natureza metálica e inerente baixa densidade, proporcionam altos valores de força específica e módulo específico. Contudo, as ligas de magnésio são de grande dificuldade de processamento quando fundidas. Isto deve-se à autoignição de alguns dos seus elementos constituintes abaixo da temperatura de liquidus e à sua elevada reatividade com os elementos circundantes acima desta temperatura. Todos estes fatores tornam a fabricação de estruturas em magnésio de paredes finas um processo extremamente complexo de difícil controlo, sendo normalmente evitado na indústria. Relativamente à fundição de ligas de magnésio, algumas técnicas têm sido desenvolvidas para superar essas dificuldades, havendo, principalmente, um esforço considerável na mitigação das reações existentes. As abordagens estudadas e propostas incluem o uso de atmosferas protetivas, a aplicação de carapaças e revestimentos refratários, bem como a melhoria dos atuais processos de fabrico a que estas ligas são sujeitas. Embora um progresso significativo tenha sido feito para garantir vazamentos bem-sucedidos, a produção de componentes com estruturas de paredes finas continua a ser considerado um processo pouco desenvolvido e confiável. O presente estudo aborda o desenvolvimento de uma nova metodologia de fundição por modelo perdido de paredes finas da liga de magnésio AZ91D-1 wt. % CaO em moldação de gesso, especificamente otimizada para a fabricação de stents. Métodos como manufatura aditiva, revestimento à base de Ítria e fundição com assistência de vácuo são investigados e aplicados para melhorar o processo. Para isso, diferentes estudos experimentais são realizados para estudo e compreensão dos fenómenos que podem ocorrer em cada etapa do processo. A interface molde-metal é devidamente caracterizada e um estudo de fluidez é realizado para perceção da influência de cada variável termodinâmica no comprimento total de enchimento das cavidades. A obtenção de geometrias de stents vazados em liga de magnésio com 0,4 mm e 0,8 mm de espessura de parede demonstra o bom desempenho das técnicas propostas na mitigação das reações molde-metal, permitindo confirmar a eficácia da metodologia desenvolvida.

In the last years, magnesium and its alloys have been the focus of many studies in both academic and industrial fields. The mechanical properties of this material, due to its metallic nature and inherent low density, yield high values of specific strength and modulus. However, Mg alloys are known for their relatively difficult processing in casting. This is due to its auto-ignition prior to liquidus temperature in some of its constituent elements and their high reactivity above this temperature. All these factors imply that manufacturing of thin-walled magnesium structures is an extremely complex process and hard to control, which is generally avoided in industry. Regarding the casting of magnesium alloys, some techniques have been developed to surpass this inherent difficulty. Hence, there has been essentially a considerable effort in the reactions mitigation. The studied and proposed approaches include the use of protective atmospheres, the application of refractory shells and coatings, as well as the improvement of current manufacturing processes that these alloys are subjected to. Despite of the significant progress to guarantee successful castings, the production of thin-walled magnesium structures is still considered an unreliable and not well-established process. The present study addresses a thin-walled investment casting methodology of AZ91D-1 wt.% CaO magnesium alloy in plaster molding, specially optimized for stent fabrication. Additive manufacturing, Yttria-based coating, and vacuum-assisted casting are investigated and applied to optimize the process. To do this, different experimental studies are conducted in order to better understand all of the phenomena that may occur during each stage of the process. In this work, the mold-metal interface is extensively explored, and the effect of each thermodynamic variable on the cavity filling length is evaluated on thin-walled samples. Magnesium stents with wall thicknesses of 0.4 mm and 0.8 mm have been obtained using the developed techniques for mitigating mold-metal reactions, demonstrating the effectiveness of the proposed methodology.