ETH-forskare har nyligen kunnat övervaka korrosionen av bioresorberbara magnesiumlegeringar i nanoskala över en tidsskala från några sekunder till många timmar. Detta är ett viktigt steg mot att exakt förutsäga hur snabbt implantat resorberas av kroppen för att möjliggöra utvecklingen av skräddarsydda material för tillfälliga implantatapplikationer.

Magnesium och dess legeringar används alltmer i benkirurgi, särskilt som osteosyntesimplantat såsom skruvar eller plattor, och som kardiovaskulära stentar för att expandera förträngda kranskärl.

Denna lättmetall har den stora fördelen att vara bioresorberbar – i motsats till beteendet hos konventionella implantatmaterial som rostfritt stål, titan eller polymerer. Detta gör en andra operation för att avlägsna ett implantat från kroppen onödig. Dessutom attraktivt är det faktum att magnesium främjar bentillväxt och därför aktivt stöder läkning av frakturer.

Rent magnesium som sådant, dock, är för mjuk för användning i kirurgiska tillämpningar, och legeringselement måste läggas till för att stärka den. Dessa är i allmänhet sällsynta jordartsmetaller som yttrium eller neodym. Dock, dessa element är främmande för människokroppen och kan ackumuleras i organ under implantatnedbrytning, med hittills okända konsekvenser. De är därför särskilt otillräckliga för tillämpningar inom pediatrisk kirurgi.

Implementering av en ny familj av legeringar

Forskare vid ETH Zürichs laboratorium för metallfysik och teknologi, ledd av professor Jörg F. Löffler, har därför utvecklat en ny familj av legeringar som förutom magnesium bara innehåller legeringsämnena zink och kalcium, avsiktligt i innehåll på mindre än 1 procent.

Zink och kalcium är precis som magnesium också biokompatibla och kan resorberas av människokroppen. Vid specifik bearbetning, de nya legeringarna bildar fällningar av varierande storlek och densitet, som är sammansatta av alla tre elementen. Dessa utfällningar, som bara är några tiotals nanometer stora, är väsentliga för att förbättra de mekaniska egenskaperna och kan påverka nedbrytningshastigheten.

Trots dessa lovande resultat, en viktig faktor hindrar fortfarande en bred användning av dessa biokompatibla magnesiumlegeringar i kirurgiska tillämpningar:för lite är känt om de mekanismer via vilka dessa material bryts ned i kroppen under så kallade fysiologiska förhållanden, och hållbara förutsägelser om hur länge ett sådant implantat kommer att finnas kvar i människokroppen har således varit omöjliga.

Övervakning av förändringar på nanoskala

Med hjälp av analytisk transmissionselektronmikroskopi (TEM), Jörg Löffler och hans kollegor Martina Cihova och Robin Schäublin har nu lyckats övervaka i detalj de strukturella och kemiska förändringarna i magnesiumlegeringar under simulerade fysiologiska förhållanden över tidsskalor från några sekunder till många timmar, med hittills ouppnådda upplösningar på några nanometer. De publicerade nyligen sina resultat i Avancerade material .

Med hjälp av modern TEM-teknik, tillhandahålls av ETHs kompetenscenter "ScopeM, " forskarna kunde dokumentera en hittills oobserverad avlegeringsmekanism som avsevärt styr fällningarnas upplösning i magnesiummatrisen. De observerade - praktiskt taget i realtid - hur kalcium- och magnesiumjoner löses upp från fällningarna när de kommer i kontakt med simulerad kroppsvätska, medan zinkjoner förblir stabila och ackumuleras. Den resulterande pågående förändringen i fällningarnas kemiska sammansättning, kallad "avlegering, " genererar en dynamisk förändring i deras elektrokemiska aktivitet och påskyndar nedbrytningen av magnesiumlegeringen totalt sett.

"Detta fynd kullkastar en rådande dogm, som antog att fällningarnas kemiska sammansättning i magnesiumlegeringar förblir oförändrad, " säger Löffler. Det tidigare antagandet hade lett till mestadels falska förutsägelser om nedbrytningstider. "Den mekanism vi rapporterar verkar vara universellt giltig, och vi förväntar oss att det förekommer i både andra magnesiumlegeringar och andra aktiva material som innehåller intermetalliska fällningar, " tillägger Martina Cihova, doktorand till Jörg Löffler och första författare till studien.

Tack vare de nya insikterna som beskrivs ovan, det är nu möjligt att designa magnesiumlegeringar så att deras nedbrytningshastighet i kroppen bättre kan förutsägas och kontrolleras mer exakt. Detta är ett viktigt framsteg med tanke på att magnesiumimplantat kan brytas ned mycket snabbare hos barn än hos vuxna, och att nedbrytningen av stentar måste vara betydligt långsammare än för benplattor eller skruvar. "Genom att samla in detaljerad kunskap om de verkande korrosionsmekanismerna, vi har tagit ett viktigt steg mot att skräddarsy magnesiumlegeringar för olika patienter och medicinska tillämpningar, " kommenterar Cihova. För att stärka förståelsen av korrosionsmekanismer ytterligare, hennes postdoktorala forskning kommer nu att fokusera på elektronmikroskopianalyser av magnesiumimplantat in vivo.