Materialen die in de biogeneeskunde worden gebruikt, moeten worden gekenmerkt door gecontroleerde biologische afbreekbaarheid, voldoende sterkte en totale afwezigheid van toxiciteit voor het menselijk lichaam. De zoektocht naar dergelijke materialen is, daarom, geen eenvoudige taak. In deze context, wetenschappers zijn al heel lang geïnteresseerd in magnesium. Onlangs, met behulp van technieken zoals positron-annihilatiespectroscopie, de onderzoekers waren in staat om aan te tonen dat magnesium dat wordt onderworpen aan mechanische slijtage aan het oppervlak, de eigenschappen verkrijgt die nodig zijn voor een biocompatibel materiaal.

Materialen met een gecontroleerde corrosiesnelheid krijgen steeds meer belangstelling. Dit geldt in het bijzonder voor de biogeneeskunde, waar implantaten gemaakt van natuurlijke of synthetische polymeren worden gebruikt. Hun voordeel is dat de afbraaksnelheid gemakkelijk kan worden aangepast onder fysiologische omstandigheden. Anderzijds, de mechanische eigenschappen van deze materialen worden verslechterd in de omgeving van het menselijk lichaam, waardoor ze ongeschikt zijn voor toepassingen met hoge belasting. Om deze reden, metalen implantaten op basis van magnesium die volledig onschadelijk zijn voor het menselijk lichaam lijken een goede optie.

Magnesium is het lichtste metaal dat kan worden gebruikt in structurele toepassingen. Door zijn mechanische, thermische en elektrische eigenschappen, evenals de biologische afbreekbaarheid en de gecontroleerde corrosiesnelheid, het wekt grote belangstelling bij onderzoekers die zich bezighouden met biocompatibele implantaten. Ondanks deze voordelen, het gebruik van magnesium als biomateriaal voor de productie van implantaten was niet eenvoudig vanwege de relatief hoge corrosiesnelheid in de menselijke lichaamsomgeving. Echter, dit probleem kan worden overwonnen door geschikte coatings te gebruiken.

In vele jaren van onderzoek, het werd opgemerkt dat de fijnkorrelige microstructuur van materialen niet alleen hun mechanische eigenschappen verbetert, maar ook de corrosieweerstand aanzienlijk kan verhogen. Dat is de reden waarom een ​​internationaal onderzoeksteam onder leiding van Prof. Ewa Dryzek van het Instituut voor Nucleaire Fysica van de Poolse Academie van Wetenschappen in Krakau zich tot doel heeft gesteld de impact te kwantificeren van de oppervlaktemechanische slijtagebehandeling (SMAT) van commercieel magnesium op zijn corrosieweerstand. Bij deze methode, een groot aantal roestvrijstalen kogels met een diameter van enkele millimeters raakt het oppervlak van het doelmateriaal, waardoor plastische vervorming van de ondergrondse laag ontstaat. Plastische vervorming gaat gepaard met de productie van een groot aantal kristalroosterdefecten.

Typische onderzoekstechnieken zoals licht- en elektronenmicroscopie, Röntgendiffractie (XRD), elektronenterugverstrooiingsdiffractie (EBSD), en microhardheidsmetingen werden gebruikt om de microstructuur te beschrijven.

"Microscopisch onderzoek onthulde een geleidelijk veranderende microstructuur van de oppervlaktelaag van het materiaal, gevormd tijdens SMAT-verwerking. We zagen een aanzienlijke korrelverfijning dicht bij het behandelde oppervlak. Deformatie-tweelingen waren dieper zichtbaar, waarvan de dichtheid afnam met toenemende afstand tot dit oppervlak, " legt prof. Dryzek uit.

Als onderdeel van dit werk, positron annihilatie spectroscopie (PAS) werd voor het eerst gebruikt. De techniek is niet-destructief en maakt de identificatie van roosterdefecten op atomair niveau mogelijk. Het bestaat uit het feit dat wanneer positronen in een materiaalmonster worden geïmplanteerd en hun antideeltjes ontmoeten, d.w.z. elektronen, ze annihileren en veranderen in fotonen die kunnen worden geregistreerd. Een positron dat onderweg een open volumedefect in het kristalrooster vindt, kan daarin worden opgesloten. Dit verlengt de tijd totdat het vernietigt. Het meten van de levensduur van positronen geeft onderzoekers een beeld van de structuur van het monster op atomair niveau.

Het doel van het gebruik van deze methode was, vooral, om informatie te verkrijgen over de verdeling van kristalroosterdefecten in de oppervlaktelaag als gevolg van SMAT-behandeling. Ook, het werd gebruikt om een ​​materiaallaag met een dikte van enkele micrometers te bestuderen, net onder het behandelde oppervlak liggen, en om de verkregen informatie te koppelen aan corrosie-eigenschappen. Dit is belangrijk omdat de roosterdefecten de belangrijkste eigenschappen van de materialen bepalen zoals ze worden gebruikt, bijvoorbeeld, in metallurgie of halfgeleidertechnologie.

"De gemiddelde levensduur van de positronen in de 200 micrometer-laag verkregen uit de 120 seconden durende SMAT-behandeling toont een hoge constante waarde van 244 picoseconden. Dit betekent dat alle positronen die door de bron worden uitgezonden en deze laag bereiken, vernietigen in structuurdefecten, d.w.z. ontbrekende atomen in de plaatsen van het kristalrooster die vacatures worden genoemd, die in dit geval worden geassocieerd met dislocaties. Deze laag komt overeen met een sterk vervormd gebied met fijne korrels. dieper, de gemiddelde levensduur van positronen neemt af, wat wijst op een afnemende concentratie van defecten, bereiken op een afstand van ongeveer 1 millimeter van het oppervlak de waarde die kenmerkend is voor goed gegloeid magnesium met een relatief lage dichtheid van structurele defecten, wat ons referentiemateriaal was, " Promovendus Konrad Skowron, de hoofdauteur van het artikel en opsteller van de studies, beschrijft de details van het werk.

Het SMAT-proces had een significante invloed op het gedrag van magnesiummonsters tijdens elektrochemische corrosietesten. Structurele veranderingen veroorzaakt door SMAT verhoogden de gevoeligheid van magnesium voor anodische oxidatie, het intensiveren van de vorming van een hydroxidefilm op het oppervlak en bijgevolg leidend tot een betere corrosieweerstand. Dit wordt bevestigd door de resultaten die zijn verkregen met het gebruik van een positronenbundel bij het Joint Institute for Nuclear Research in Dubna, Rusland. De resultaten laten zien dat naast de korrel- en subkorrelgrenzen die op het oppervlak aanwezig zijn, ook andere kristaldefecten zoals dislocaties en vacatures kunnen een essentiële rol spelen in het corrosieve gedrag van magnesium.

"We voeren momenteel een soortgelijk onderzoek uit voor titanium. Titanium is een metaal dat veel wordt gebruikt in de ruimtevaart, auto, energie- en chemische industrie. Het wordt ook toegepast als materiaal voor de productie van biomedische apparaten en implantaten. Een economisch aanvaardbare methode die het mogelijk maakt om zuiver titanium te verkrijgen met een gradiëntmicrostructuur met nanometrische korrels in lagen aangrenzend aan het oppervlak, kan bredere perspectieven openen voor het gebruik van titanium in producten die belangrijk zijn voor de wereldeconomie en voor het verbeteren van het comfort van het menselijk leven, " zegt prof. Dryzek.