Material som används inom biomedicin måste kännetecknas av kontrollerad biologisk nedbrytbarhet, tillräcklig styrka och total frånvaro av toxicitet för människokroppen. Sökandet efter sådant material är, därför, inte en enkel uppgift. I detta sammanhang, forskare har länge varit intresserade av magnesium. Nyligen, med hjälp av sådana tekniker som positronutsläckningsspektroskopi, forskarna kunde påvisa att magnesium som utsätts för ytmekanisk slitage får de egenskaper som är nödvändiga för ett biokompatibelt material.

Material som visar kontrollerad korrosionshastighet får allt mer intresse. Detta gäller särskilt biomedicin, där implantat av naturliga eller syntetiska polymerer används. Deras fördel är att nedbrytningshastigheten enkelt kan justeras under fysiologiska förhållanden. Å andra sidan, de mekaniska egenskaperna hos dessa material försämras i människokroppens miljö, vilket gör dem olämpliga för applikationer med hög belastning. Av denna anledning, metallimplantat baserade på magnesium som är helt ofarligt för människokroppen verkar vara ett bra alternativ.

Magnesium är den lättaste metallen som kan användas i strukturella tillämpningar. På grund av dess mekaniska, termiska och elektriska egenskaper samt biologisk nedbrytbarhet och kontrollerad korrosionshastighet, det väcker stort intresse för forskare som hanterar biokompatibla implantat. Trots dessa fördelar, användningen av magnesium som biomaterial för tillverkning av implantat har inte varit lätt på grund av den relativt höga korrosionshastigheten i människokroppsmiljön. Dock, detta problem kan övervinnas med lämpliga beläggningar.

Under många års forskning, det märktes att den finkorniga mikrostrukturen av material inte bara förbättrar deras mekaniska egenskaper utan också kan avsevärt öka korrosionsbeständigheten. Det är därför som ett internationellt forskargrupp under ledning av prof. Ewa Dryzek från Institute of Nuclear Physics vid Polska vetenskapsakademien i Krakow satte upp målet att kvantifiera effekten av ytmekanisk slitagebehandling (SMAT) av magnesium av kommersiell kvalitet på dess korrosionsbeständighet. I denna metod, ett stort antal rostfria kulor med några millimeter i diameter träffade målmaterialets yta, orsakar plastisk deformation av underlagsskiktet. Plastisk deformation åtföljs av produktion av ett stort antal kristallgitterdefekter.

Typiska forskningstekniker som ljus- och elektronmikroskopi, Röntgendiffraktion (XRD), elektronbackspridningsdiffraktion (EBSD), och mikrohårdhetsmätningar användes för att beskriva mikrostrukturen.

"Mikroskopisk undersökning avslöjade en gradvis föränderlig mikrostruktur av materialets ytskikt, bildas under SMAT -bearbetning. Vi observerade stor kornförädling nära den behandlade ytan. Deformationstvillingar var synliga djupare, vars densitet minskade med ökande avstånd från denna yta, "förklarar professor Dryzek.

Som en del av detta arbete, positron förintelse spektroskopi (PAS) användes för första gången. Tekniken är icke-destruktiv och möjliggör identifiering av gitterdefekter på atomnivå. Det består i det faktum att när positroner implanteras i ett materialprov och möter deras antipartiklar, dvs elektroner, de förintar och blir till fotoner som kan registreras. En positron som på sin väg finner en öppen volymdefekt i kristallgitteret kan fastna i den. Detta förlänger tiden tills den förintas. Att mäta positrons livstid ger forskare en bild av provets struktur på atomnivå.

Syftet med att använda denna metod var, särskilt, för att få information om fördelningen av kristallgitterdefekter i ytskiktet till följd av SMAT -behandling. Också, det användes för att studera ett materialskikt med en tjocklek på några mikrometer, ligger precis under den behandlade ytan, och att koppla den erhållna informationen till korrosionsegenskaper. Detta är viktigt eftersom gallerdefekterna bestämmer materialets nyckelegenskaper när det används, till exempel, inom metallurgi eller halvledarteknik.

"Den genomsnittliga livslängden för positronerna i 200-mikrometerskiktet som erhållits från 120 sekunders SMAT-behandling visar ett högt konstant värde på 244 pikosekunder. Detta innebär att alla positroner som sänds ut från källan som når detta skikt förstörs i strukturfel, dvs saknade atomer på platserna för kristallgitteret som kallas lediga platser, som i detta fall är förknippade med dislokationer. Detta lager motsvarar ett starkt deformerat område med finkorn. Djupare, den genomsnittliga livslängden för positroner minskar, vilket indikerar en minskande koncentration av defekter, når på ett avstånd av cirka 1 millimeter från ytan värdet som är karakteristiskt för välglödgat magnesium med en relativt låg densitet av strukturella defekter, som var vårt referensmaterial, "Doktorand Konrad Skowron, huvudförfattare till artikeln och upphovsman till studierna, beskriver detaljerna i arbetet.

SMAT -processen påverkade avsevärt beteendet hos magnesiumprover under elektrokemiska korrosionstester. Strukturella förändringar orsakade av SMAT ökade magnesiums känslighet för anodisk oxidation, intensifiera bildandet av en hydroxidfilm på ytan och följaktligen leda till bättre korrosionsbeständighet. Detta bekräftas av resultaten som erhållits med användning av en positronstråle vid Joint Institute for Nuclear Research i Dubna, Ryssland. Resultaten visar att förutom korn- och underkornets gränser på ytan, även andra kristalldefekter som dislokationer och lediga platser kan spela en väsentlig roll för magnesiumets korrosiva beteende.

"Vi håller för närvarande på att utföra en liknande studie för titan. Titan är en metall som ofta används inom rymd, bil, energi och kemisk industri. Det appliceras också som ett material för produktion av biomedicinska anordningar och implantat. En ekonomiskt acceptabel metod som möjliggör erhållande av rent titan med en gradientmikrostruktur med nanometriska korn i lager intill ytan kan öppna större möjligheter för användning av titan i produkter som är viktiga för den globala ekonomin och för att förbättra komforten för människoliv, "säger professor Dryzek.