Een onderzoeksgroep heeft een op kobalt-chroom gebaseerd biomateriaal onthuld dat de flexibiliteit van menselijke botten nabootst en een uitstekende slijtvastheid bezit. Het nieuwe biomateriaal zou kunnen worden gebruikt voor implantaten zoals vervangingen van heup- of kniegewrichten en botplaten, waardoor de problemen die gepaard gaan met conventionele implantaatmaterialen worden verlicht.

Details van hun onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials op 9 mei 2022.

Nu de oudere bevolking over de hele wereld toeneemt, is de behoefte aan verbeterde biomaterialen die beschadigde botten kunnen vervangen of ondersteunen, toegenomen. Voor dit doel worden metalen veel gebruikt vanwege hun sterkte en taaiheid. Als gevolg van hun kracht neemt hun flexibiliteit echter af.

Tot op heden zijn de meeste metalen biomaterialen stijver dan menselijke botten, en het gebruik ervan als implantaten leidt tot botatrofie - een aandoening waarbij de botdichtheid wordt verminderd vanwege een afbraak van de botsubstantie en -structuur. Ondertussen verliezen biomaterialen met verhoogde flexibiliteit hun slijtvastheid.

Hoewel superelastische materialen gemaakt van nikkel-titanium (Ni-Ti) legeringen, die vaak worden gebruikt in stents en orthodontische draden, een hoge flexibiliteit en het vermogen om te herstellen van spanning behouden, is Ni een allergisch element. Ni-vrije legeringen hebben de superelasticiteit van Ni-Ti-legeringen niet gerepliceerd, waardoor ze onpraktisch zijn.

De onderzoeksgroep, bestaande uit onderzoekers van de Tohoku University's Graduate School of Engineering and Institute for Materials Research (IMR), het J-PARC Center, het Japan Atomic Energy Agency en de Czech Academy of Sciences, richtte zich op het verkleinen van de Young's modulus gap tussen metalen implantaten en menselijke botten. Wanneer een materiaal flexibel is, heeft het een lage Young's modulus. Als het stijf is, heeft het een hoge Young's modulus.

"Omdat de modulus van Young afhangt van de kristaloriëntatie, kweekten we eenkristallen met een specifieke kristaloriëntatie", zegt Xiao Xu, corresponderend auteur en assistent-professor aan de Graduate School of Engineering van Tohoku University.

Met behulp van een cyclische warmtebehandelingstechniek hebben Xu en zijn collega's met succes grote eenkristallen van enkele centimeters geprepareerd. De ontwikkelde Co-Cr-Al-Si (CCAS) legering vertoonde een rekherstel van 17% - twee keer zo hoog als de commerciële Ti-Ni-legeringen met vormgeheugen. Bovendien was de Young's modulus van de CCAS extreem laag, wat lijkt op de flexibiliteit van menselijke botten.

"We wisten dat chroom een ​​sterke corrosieweerstand bezit, maar de superelasticiteit, flexibiliteit en aanzienlijke slijtvastheid van het materiaal op basis van kobalt-chroom verraste ons," voegde Xu eraan toe.

In de toekomst hoopt de onderzoeksgroep te onderzoeken waarom hun CCAS de superieure eigenschappen bereikte die het deed. Dit zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van materialen van de volgende generatie met nog betere eigenschappen. + Verder verkennen

Een nieuwe methode voor het controleren van de microstructuur en prestaties van 3D-geprinte menselijke implantaten