Magnesium alloys have been extensively studied in recent years for potential biodegradable implant applications. A great deal of work has been done on the evaluation of the corrosion behaviour of magnesium alloys under in vitro and in vivo conditions. However, magnesium alloys, in general, contain secondary phase particles distributed in the matrix and/or along the grain boundaries. Owing to their difference in chemistry in comparison with magnesium matrix, these particles may exhibit different corrosion behaviour. It is essential to understand the corrosion behaviour of secondary phase particles in magnesium alloys in physiological conditions for implant applications. This paper critically reviews the biodegradation behaviour of secondary phase particles in magnesium alloys.
The metallic implant materials are widely used in biomedical industries due to their specific mechanical strenth, corrosion registance, and superior biocompatability. These metallic materials, however, suffer from the stress-shielding effect and the generation of artifacts in the magnetic resonance imaging exam. In the present study, we develope a Zr-based alloys for the biomedical implant materials with low elastic modulus and low magnetic susceptibility. The Zr-7Si-xSn alloys were fabricated by an arc melting process. The elastic modulus was 24~31 GPa of the zirconium-based alloy. The average magnetic susceptibility value of the Zr-7Si-xSn alloy was 1.25 × 10-8cm3g-1. The average Icorr value of the Zr-7Si-xSn alloy was 0.2 ㎂/cm2. The Sn added zirconium alloy, Zr-7Si-xSn, is very interested and attractive as a biomaterial that reduces the stress-shielding effect caused by the difference of elastic modulus between human bone and metallic implant.
Research advances in dental implantology have led to the development of several different types of materials and it is anticipated that continued research will lead to advanced dental implant materials. Currently used pure titanium has relatively low hardness and strength which may limit its ability to resist functional loads as a dental implant. Ti-6Al-4V also has potential problems such as corrosion resistance. osseointegration properties and neurologic disorder due to aluminium and vanadium, known as highly toxic elements, contained in Ti-6Al-4V. Newly developed titanium based alloys(Ti-20Zr-3Nb-3Ta-0.2Pd-1In, Ti-20Zr-3Nb-3Ta-0.2Pd) which do not contain toxic metallic components were designed by the Korea Institute of Science and Technology (KIST) with alloy design techniques using Zr, Nb, Ta, Pd, and In which are known as non-toxic elements. Biocompatibility and osseointegration properties of these newly designed alloys were evaluated after implantation in rabbit femur for 3 months. The conclusions were as follows : 1. Mechanical properties of the new designed Ti based alloys(Ti-20Zr-3Nb-3Ta-0.2Pd-1In, Ti-20Zr-3Nb-3Ta-0.2Pd) demonstrated close hardness and tensile strength values to Ti-6Al-4V. 2. New desinged experimental alloys showed stable corrosion resistance similar to the pure Ti but better than Ti-6Al-4V. However, the corrosion rate was higher for the new alloys. 3. Cell culture test showed that the new alloys have similar cell response compared with pure Ti and Ti-6Al-4V with no cell adverse reaction. 4. New designed alloys showed similar bone-metal contact ratio and osseointegration properties compared to pure Ti and Ti-6Al-4V after 3 months implantation in rabbit femur. 5. Four different surface treatments of the metals did not show any statistical difference of the cell growth and bone-metal contact ratio.
Cobalt-Chromium (Co-Cr) alloys are classified as predominantly base-metal alloys and are widely known for their biomedical applications in the orthopedic and dental fields. In dentistry, Co-Cr alloys are commonly used for the fabrication of metallic frameworks of removable partial dentures and recently have been used as metallic substructures for the fabrication of porcelain-fused-to-metal restorations and implant frameworks. The increased worldwide interest in utilizing Co-Cr alloys for dental applications is related to their low cost and adequate physico-mechanical properties. Additionally, among base-metal alloys, Co-Cr alloys are used more frequently in many countries to replace Nickel-Chromium (Ni-Cr) alloys. This is mainly due to the increased concern regarding the toxic effects of Ni on the human body when alloys containing Ni are exposed to the oral cavity. This review article describes dental applications, metallurgical characterization, and physico-mechanical properties of Co-Cr alloys and also addresses their clinical and laboratory behavior in relation to those properties.
Intensive theoretical and experimental studies have been carried out at Korean Institute of Science and Technology (KIST) on controlling the bio absorbing rate of the Mg alloys with high mechanical strength through tailoring of electrochemical potential. Key technology for retarding the corrosion of the Mg alloys is to equalize the corrosion potentials of the constituent phases in the alloys, which prevented the formation of Galvanic circuit between the constituent phases resulting in remarkable reduction of corrosion rate. By thermodynamic consideration, the possible phases of a given alloy system were identified and their work functions, which are related to their corrosion potentials, were calculated by the first principle calculation. The designed alloys, of which the constituent phases have similar work function, were fabricated by clean melting and extrusion system. The newly developed Mg alloys named as KISTUI-MG showed much lower corrosion rate as well as higher strength than previously developed Mg alloys. Biocompatibility and feasibility of the Mg alloys as orthopedic implant materials were evaluated by in vitro cell viability test, in vitro degradation test of mechanical strength during bio-corrosion, in vivo implantation and continuous observation of the implant during in vivo absorbing procedures. Moreover, the cells attached on the Mg alloys was observed using cryo-FIB (focused ion beam) system without the distortion of cell morphology and its organ through the removal of drying steps essential for the preparation of normal SEM/TEM samples. Our Mg alloys showed excellent biocompatibility satisfying the regulations required for biomedical application without evident hydrogen evolution when it implanted into the muscle, inter spine disk, as well as condyle bone of rat and well contact interface with bone tissue when it was implanted into rat condyle.
Today, dental implants are an acceptable alternative, capable of providing bone-anchored fixed prostheses for improved quality of life and self esteem for many patients. Research advances in dental implantology have led to the development of several different types of materials, and it is anticipated that continued research will likewise lead to advanced dental implant materials. Currently used pure titanium has relatively low hardness and strength which possibly limits its ability to resist the functional loads as a dental implant. Ti-6Al-4V also has potential problems such as corrosion resistance, bone biocompatibility etc. The carefully selected Zr, Nb, Ta, Pd, In constituents could improve mechanical strength, corrosion resistance, and biocompatibility compared to that of currently used implant metals. On the basis of the totality of the data from our study, it can be concluded that new titanium alloys containing Zr, Nb, Ta, Pd, In are able to provide improved mechanical properties, corrosion resistance and biocompatibility to warrant further investigation of it's potential as new biomaterials for dental implants.
Cp-Ti and Ti-6Al-4V alloys commonly used dental implant materials, particularly for orthopaedic and osteosynthesis because of its suitable mechanical properties and excellent biocompatibility. This alloys have excellent corrosion behavior in the clinical environment. The first factor to decide the success of dental implantation is sufficient osseointegration and high corrosion resistance between on implant fixture and its surrounding bone tissue. In this study, in order to increase corrosion resistance and biocompatibility of Cp-Ti and Ti-6Al-4V alloy that surface of manufactured alloy was coated with TiN by RF-magnetron sputtering method. The electrochemical behavior of TiN coated Cp-Ti and Ti-6Al-4V alloy were investigated using potentiodynamic (EG&G Co, PARSTAT 2273. USA) and potentiostatic test (250mV) in 0.9% NaCl solution at 36.5 $\pm$ 1$^{\circ}C$. These results are as follows : 1. From the microstructure analysis, Cp-Ti showed the acicular structure of $\alpha$-phase and Ti-6Al-4V showed the micro-acicular structure of ${\alpha}+{\beta}$ phase. 2. From the potentiodynamic test, Ecorr value of Cp-Ti and Ti-6Al-4V alloys showed -702.48mV and -319.87mV, respectively. Ti-6Al-4V alloy value was higher than Cp-Ti alloy. 3. From the analysis of TiN and coated layer, TIN coated surface showed columnar structure with 800 nm thickness. 4. The corrosion resistance of TiN coated Cp-Ti and Ti-6Al-4V alloys were higher than those of the non-coated Ti alloys in 0.9% NaCl solution from potentiodynamic test, indicating better protective effect. 5. The passivation current density of TiN coated Cp-Ti and Ti-6Al-4V alloys were smaller than that of the noncoated implant fixture in 0.9% NaCl solution, indicating the good protective effect resulting from more compact and homogeneous layer formation.
An ideal orthopedic implant should provide an excellent bone-implant connection, less implant loosening and minimum adverse reactions. Commercial pure titanium (CP-Ti) and Ti alloys have been widely utilized for biomedical applications such as orthopedic and dental implants. However, being bioinert, the integration of such implant in bone was not in good condition to achieve improved osseointegraiton, there have been many efforts to modify the composition and topography of implant surface. These processes are generally classified as physical, chemical, and electrochemical methods. Plasma electrolytic oxidation (PEO) as an electrochemical route has been recently utilized to produce this kind of composite coatings. Mg ion plays a key role in bone metabolism, since it influences osteoblast and osteoclast activity. From previous studies, it has been found that Mg ions improve the bone formation on Ti alloys. PEO is a promising technology to produce porous and firmly adherent inorganic Mg containing $TiO_2$($Mg-TiO_2$ ) coatings on Ti surface, and the amount of Mg introduced into the coatings can be optimized by altering the electrolyte composition. In this study, a series of $Mg-TiO_2$ coatings are produced on Ti-6Al-4V ELI dental implant using PEO, with the substitution degree, respectively, at 0, 5, 10 and 20%. Based on the preliminary analysis of the coating structure, composition and morphology, a bone like apatite formation model is used to evaluate the in vitro biological responses at the bone-implant interface. The enhancement of the bone like apatite forming ability arises from $Mg-TiO_2$ surface, which has formed the reduction of the Mg ions. The promising results successfully demonstrate the immense potential of $Mg-TiO_2$ coatings in dental and biomaterials applications.
The effect of Sr addition on mechanical and bio-corrosion properties of as-cast Mg-3wt.%Zn-0.5wt.%Ca-xwt.%Sr (x = 0.3, 0.6, 0.9) alloys were examined for application as biodegradable implant material. The microstructure, mechanical properties and corrosion resistance of the as-cast Mg-Zn-Ca-Sr alloys were characterized by using optical microscopy, scanning electron microscopy, tensile testing and electrochemical measurement in Hank's solution. The as-cast alloys contained ${\alpha}$-Mg and eutectic $Ca_2Mg_6Zn_3$ phases, while the alloys contained ${\alpha}$-Mg, $Ca_2Mg_6Zn_3$ and Mg-Zn-Ca-Sr intermetallic compound when the Sr addition was more than 0.3 wt.%. The yield strength, ultimate tensile strength and elongation increased with the increasing of Sr content up to 0.6 wt.% but decreased in the 0.9 wt.% Sr-added alloy, whereas the corrosion resistance of 0.3 wt.% Sr-added alloy was superior to other alloys. It was thought that profuse Mg-Zn-Ca-Sr intermetallic compound deteriorated both the mechanical properties and corrosion resistance of the as-cast alloy.
Titanium and titanium alloys are the most common materials used for dental and biomedical implants, owing to their biocompatibility and favourable mechanical properties. However infection of the region surrounding a dental implant by pathogenic microorganisms is a significant factor in implant failure. Prevention and control of microbial colonization of implant surfaces is considerable interest to the biomedical community. One important strategy is to render the implant surface antibacterial by impeding the formation of biofilm. A number of approaches have been proposed for this purpose. Therefore, we reviewed the researches of antibacterial coatings on titanium implants in this articles.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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