Enkristaller av de flexibla och tuffa CoCr-baserade legeringarna. Kredit:Tohoku University
En forskargrupp har avslöjat ett kobolt-krombaserat biomaterial som efterliknar flexibiliteten hos mänskliga ben och har utmärkt slitstyrka. Det nya biomaterialet skulle kunna användas för implantat som höft- eller knäledsproteser och benplattor, vilket kan lindra problem som är förknippade med konventionella implantatmaterial.
Detaljer om deras forskning publicerades i tidskriften Advanced Materials den 9 maj 2022.
När den äldre befolkningen ökar över hela världen har behovet av förbättrade biomaterial som kan ersätta eller stödja skadade ben ökat. För detta ändamål används metaller i stor utsträckning på grund av deras styrka och duktilitet. Men som en konsekvens av deras styrka, minskar deras flexibilitet.
Hittills är de flesta metalliska biomaterial styvare än mänskliga ben, och att använda dem som implantat leder till benatrofi - ett tillstånd där bentätheten minskar på grund av en nedbrytning av bensubstans och benstruktur. Samtidigt tappar biomaterial med förhöjd flexibilitet sin slitstyrka.
Även om superelastiska material gjorda av nickel-titanium (Ni-Ti)-legeringar, som vanligtvis används i stentar och ortodontiska trådar, bibehåller hög flexibilitet och förmågan att återhämta sig från belastning, är Ni ett allergiskt element. Ni-fria legeringar har inte replikerat superelasticiteten hos Ni-Ti-legeringar, vilket gör dem opraktiska.
Forskargruppen, som bestod av forskare från Tohoku Universitys Graduate School of Engineering and Institute for Materials Research (IMR), J-PARC Center, Japan Atomic Energy Agency och Czech Academy of Sciences, fokuserade på att minska Youngs modulgap mellan metallimplantat och mänskliga ben. När ett material är flexibelt har det en låg Youngs modul. När den är styv har den en hög Youngs modul.
Det nya Co-Cr-baserade biomaterialet har inte bara en låg Youngs modul (10-30 GPa) som liknar mänskliga ben, utan har också hög slitstyrka, vilket stör avvägningsrelationen i konventionella metalliska biomaterial. Dessa legeringar uppvisar också en enorm återvinningsbar superelastisk töjning på upp till 17,0 % – dubbelt så stor som kommersiell Ti-Ni. Kredit:Tohoku University
"Eftersom Youngs modul beror på kristallorientering, odlade vi enkristaller med en specifik kristallorientering", säger Xiao Xu, motsvarande författare och biträdande professor vid Tohoku Universitys Graduate School of Engineering.
Med hjälp av en cyklisk värmebehandlingsteknik förberedde Xu och hans kollegor framgångsrikt stora enkristaller i storleken flera centimeter. Den utvecklade Co-Cr-Al-Si (CCAS)-legeringen visade en töjningsåtervinningsgrad på 17 % – dubbelt så stor som för kommersiella Ti-Ni formminneslegeringar. Dessutom var CCAS:s Youngs modul extremt låg, vilket liknar flexibiliteten hos mänskliga ben.
"Vi visste att krom har stark korrosionsbeständighet, men superelasticiteten, flexibiliteten och den betydande slitstyrkan hos det kobolt-krombaserade materialet överraskade oss", tillade Xu.
Framöver hoppas forskargruppen utforska varför deras CCAS uppnådde de överlägsna egenskaperna den gjorde. Att göra det kan leda till utveckling av nästa generations material med ännu bättre egenskaper. + Utforska vidare
