Experimental characterization and computational modelling of the effect of in vitro corrosion on the mechanical integrity of biodegradable magnesium alloy WE43 for orthopedic applications

Magnésio e suas ligas são considerados candidatos promissores a substituírem os materiais metálicos bioinertes, como por exemplo ligas de titânio e aços inoxidáveis, utilizados atualmente na fabricação de implantes temporários para trauma. Ligas de magnésio são totalmente biodegradáveis no corpo humano, tornando desnecessária uma segunda cirurgia para explantação. Além disso, possuem módulo elástico similar ao do osso, minimizando o fenômeno de blindagem de tensões, e possuem propriedades osteocondutoras, que contribuem para a regeneração óssea. A maior barreira para a popularização da utilização das ligas de magnésio como material biodegradável para aplicações ortopédicas está relacionada ao controle das taxas de biodegradação e ao pouco conhecimento referente aos efeitos da biodegradação na integridade estrutural do material. A modelagem computacional possui papel importante no projeto de implantes ortopédicos para osteossíntese. No caso de metais biodegradáveis, uma abordagem computacional se faz necessária para auxiliar na previsão dos efeitos da degradação na integridade estrutural do implante e em sua capacidade de estabilizar a estrutura óssea fraturada. No presente trabalho, o comportamento mecânico da liga de magnésio WE43 é simulado por meio da utilização de um modelo elastoplástico de von Mises com endurecimento isotrópico, acoplado a um modelo de dano contínuo para simular, de maneira fenomenológica, a corrosão e seus impactos nas características estruturais do material. O modelo de corrosão fenomenológico é implementado através do desenvolvimento de uma sub-rotina de material do usuário (VUMAT) para utilização com o programa comercial de elementos finitos Abaqus/Explicit. A corrosão é considerada como sendo multi mecanismo, englobando os mecanismos de corrosão localizada (pitting) e o mecanismo de corrosão sob tensão. Ambos os mecanismos de corrosão são implementados utilizando uma formulação não-local média, visando reduzir a influência da geometria da malha. O modelo de corrosão localizada é calibrado com base em dados obtidos de ensaios de caracterização mecânica e de degradação in vitro de fios de magnésio WE43, e consegue, de maneira precisa, capturar tanto a redução linear da resistência mecânica do corpo de prova, assim como o a taxa de degradação não-linear, observados experimentalmente. A influência da corrosão sob tensão no padrão de corrosão e seu efeito na integridade do material foi investigado através do modelo multi mecanismo e mostrou possuir relevância secundária, quando comparada ao mecanismo de corrosão localizada, mesmo para carregamentos da ordem de 75% da tensão de escoamento do material. O modelo de corrosão foi aplicado a um estudo de caso envolvendo o ensaio de arrancamento de parafusos ortopédicos e foi capaz de capturar a perda de poder de fixação do parafuso deem razão da corrosão. O modelo numérico proposto se mostrou uma ferramenta eficiente na avaliação da integridade estrutural de ligas de magnésio biodegradáveis, podendo ser utilizado em trabalhos futuros no projeto de implantes ortopédicos.Biodegradable magnesium alloys are considered a promising candidate to replace the conventional bioinert metals, such as titanium alloys and stainless steels, used in trauma and extremities implants. Magnesium alloys are biodegradable in the human body, making a second surgery for implant removal unnecessary. Additionally, magnesium alloys have an elastic modulus similar to that of bone, which helps preventing the stress shielding effect, and presents osteoconductive properties, which contribute to bone healing. Nowadays, large-scale utilization of magnesium implants is still restricted by the high corrosion rates and its unknown effects on implant structural integrity. Computational modeling plays an important role in the development and design of orthopedic implants for osteosynthesis. In biodegradable metals, a modeling approach is required to predict the effects of degradation on the implant\'s mechanical integrity and its capacity to provide the desired stabilization of fractured bones. In this study, the mechanical behavior of magnesium WE43 alloy is modeled using the von Mises elastoplasticity model with isotropic hardening, coupled with a continuum damage mechanics model, to accounts for the effects of corrosion-induced microscale defects on the material mechanical resistance. The phenomenological corrosion model is implemented in a finite element framework through the development of a user material subroutine (VUMAT) for use with the Abaqus/Explicit. The corrosion damage is assumed to be multi-mechanism, comprising nonuniform corrosion, also known as localized pitting corrosion, as well as stress cracking corrosion. Both pitting and stress corrosion damages are implemented employing a nonlocal integral formulation to overcome the mesh-dependency. The nonlocal pitting corrosion model is calibrated based on experimental data collected from in-vitro degradation experiments and mechanical testing of magnesium WE43 alloy wire specimens and accurately captures both the linear mechanical reduction in specimen resistance, in the form of failure strength with mass loss, as well as the non-linear corrosion behavior of magnesium WE43, observed experimentally. The influence of localized stress on corrosion patterner and its influences on the mass loss at fracture were also investigated through the multi-mechanism model and showed to be of lesser relevance when compared to the pitting corrosion mechanism, even for loads on the magnitude of 75% of the material yield strength. The corrosion model was successfully applied to a case study involving the pull-out testing of an orthopedic screw and captured the loss in screw fixation strength due to corrosion. The presented numerical framework provides an efficient tool for structural integrity evaluation of biodegradable magnesium alloy and could be used in future research on the design of orthopedic implants