ETH-onderzoekers hebben onlangs de corrosie van bioresorbeerbare magnesiumlegeringen op nanoschaal kunnen volgen over een tijdschaal van enkele seconden tot vele uren. Dit is een belangrijke stap om nauwkeurig te voorspellen hoe snel implantaten door het lichaam worden geresorbeerd om de ontwikkeling van op maat gemaakte materialen voor tijdelijke implantaattoepassingen mogelijk te maken.

Magnesium en zijn legeringen worden steeds vaker ingezet bij botchirurgie, in het bijzonder als osteosynthese-implantaten zoals schroeven of platen, en als cardiovasculaire stents om vernauwde coronaire bloedvaten uit te zetten.

Dit lichte metaal heeft het grote voordeel dat het bioresorbeerbaar is - in tegenstelling tot het gedrag van conventionele implantaatmaterialen zoals roestvrij staal, titanium of polymeren. Dit maakt een tweede operatie om een ​​implantaat uit het lichaam te verwijderen overbodig. Bijkomend aantrekkelijk is het feit dat magnesium de botgroei bevordert en daarmee de genezing van fracturen actief ondersteunt.

Zuiver magnesium als zodanig, echter, is te zacht voor inzet in chirurgische toepassingen, en legeringselementen moeten worden toegevoegd om het te versterken. Dit zijn over het algemeen zeldzame aardmetalen zoals yttrium of neodymium. Echter, deze elementen zijn vreemd aan het menselijk lichaam en kunnen zich ophopen in organen tijdens de afbraak van implantaten, met tot nu toe onbekende gevolgen. Ze zijn dus bijzonder ontoereikend voor toepassingen in de pediatrische chirurgie.

Implementatie van een nieuwe familie legeringen

Onderzoekers van het laboratorium voor metaalfysica en technologie van ETH Zürich, onder leiding van professor Jörg F. Löffler, hebben daarom een ​​nieuwe familie legeringen ontwikkeld die naast magnesium alleen de legeringselementen zink en calcium bevatten, opzettelijk in een gehalte van minder dan 1 procent.

Zink en calcium zijn net als magnesium ook biocompatibel en kunnen door het menselijk lichaam worden opgenomen. Bij specifieke verwerking, de nieuwe legeringen vormen precipitaten van verschillende grootte en dichtheid, die zijn samengesteld uit alle drie de elementen. Deze precipitaten, die slechts enkele tientallen nanometers groot zijn, zijn essentieel om de mechanische eigenschappen te verbeteren en kunnen de afbraaksnelheid beïnvloeden.

Ondanks deze veelbelovende resultaten, een belangrijke factor staat nog steeds een brede inzet van deze biocompatibele magnesiumlegeringen in chirurgische toepassingen in de weg:er is te weinig bekend over de mechanismen waarmee deze materialen in het lichaam worden afgebroken onder zogenaamde fysiologische omstandigheden, en haalbare voorspellingen over hoe lang een dergelijk implantaat in het menselijk lichaam zal blijven, zijn dus onmogelijk geweest.

Veranderingen volgen op nanoschaal

Met behulp van analytische transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), Jörg Löffler en zijn collega's Martina Cihova en Robin Schäublin zijn er nu in geslaagd om de structurele en chemische veranderingen in magnesiumlegeringen in detail te volgen onder gesimuleerde fysiologische omstandigheden over tijdschalen van enkele seconden tot vele uren, met tot nu toe onbereikte resoluties van enkele nanometers. Onlangs publiceerden ze hun resultaten in Geavanceerde materialen .

Met behulp van moderne TEM-technologie, verzorgd door ETH's competentiecentrum "ScopeM, "De onderzoekers waren in staat om een ​​tot nu toe niet-waargenomen deloying-mechanisme te documenteren dat de oplossing van de precipitaten in de magnesiummatrix aanzienlijk regelt. Ze observeerden - praktisch in realtime - hoe calcium- en magnesiumionen uit de precipitaten oplossen zodra ze in contact kwamen met gesimuleerde lichaamsvloeistof, terwijl zinkionen stabiel blijven en zich ophopen. De resulterende voortdurende verandering in de chemische samenstelling van de precipitaten, genaamd "verdelen, " genereert een dynamische verandering in hun elektrochemische activiteit en versnelt de algehele afbraak van magnesiumlegeringen.

"Deze bevinding maakt een einde aan een heersende dogma, die ervan uitging dat de chemische samenstelling van de precipitaten in magnesiumlegeringen ongewijzigd blijft, ", zegt Löffler. Die eerdere veronderstelling had geleid tot meestal valse voorspellingen over degradatietijden. "Het mechanisme dat we rapporteren lijkt universeel geldig te zijn, en we verwachten dat het voorkomt in zowel andere magnesiumlegeringen als andere actieve materialen die intermetallische precipitaten bevatten, " voegt Martina Cihova toe, promovendus van Jörg Löffler en eerste auteur van de studie.

Dankzij de nieuwe inzichten die hierboven zijn beschreven, het is nu mogelijk om magnesiumlegeringen zo te ontwerpen dat hun afbraaksnelheid in het lichaam beter kan worden voorspeld en nauwkeuriger kan worden gecontroleerd. Dit is een essentiële vooruitgang, aangezien magnesiumimplantaten bij kinderen veel sneller kunnen worden afgebroken dan bij volwassenen. en dat de afbraak van stents aanzienlijk langzamer moet zijn dan die van botplaten of schroeven. "Door gedetailleerde kennis te verzamelen van de werkende corrosiemechanismen, we hebben een belangrijke stap gezet in de richting van het afstemmen van magnesiumlegeringen op verschillende patiënten en medische toepassingen, " merkt Cihova op. Om het begrip van corrosiemechanismen verder te versterken, haar postdoctoraal onderzoek zal zich nu richten op elektronenmicroscopie-analyses van in vivo magnesiumimplantaten.