ETH araştırmacıları son zamanlarda, nano ölçekte biyolojik olarak emilebilir magnezyum alaşımlarının korozyonunu birkaç saniyeden birkaç saate kadar bir zaman ölçeğinde izleyebilmişlerdir. Bu, geçici implant uygulamaları için uyarlanmış malzemelerin geliştirilmesini sağlamak için implantların vücut tarafından ne kadar hızlı emildiğini doğru bir şekilde tahmin etmeye yönelik önemli bir adımdır.
Magnezyum ve alaşımları kemik cerrahisinde, özellikle vida veya plaka gibi osteosentez implantları ve daralmış koroner kan damarlarını genişletmek için kardiyovasküler stentler olarak giderek daha fazla kullanılmaktadır.
Bu hafif metal, paslanmaz çelik, titanyum veya polimerler gibi geleneksel implant malzemelerinin davranışının aksine, biyolojik olarak emilebilir olma avantajına sahiptir. Bu, vücuda bir implantı gereksiz yere çıkarmak için ikinci bir ameliyat yapar. Ek olarak çekici olan, magnezyumun kemik büyümesini desteklemesi ve bu nedenle aktif olarak kırıkların iyileşmesini desteklemesidir.
Bununla birlikte, saf magnezyum, cerrahi uygulamalarda yayılmayacak kadar yumuşaktır ve güçlendirilmesi için alaşım elementleri eklenmelidir. Bunlar genellikle itriyum veya neodim gibi nadir toprak elementleridir. Bununla birlikte, bu elementler insan vücuduna yabancıdır ve implantın bozulması sırasında organlarda birikebilir ve şu ana kadar bilinmeyen sonuçlar ortaya çıkabilir. Bu nedenle, özellikle pediatrik cerrahi uygulamalarında yetersiz kalmaktadırlar.
Yeni bir alaşım ailesi uygulanması
ETH Zürih'in Profesör Jörg F. Löffler başkanlığındaki Metal Fizik ve Teknoloji Laboratuarı'ndaki araştırmacılar, magnezyumun yanı sıra kasıtlı olarak yüzde 1'den az içerikli sadece alaşım elementleri çinko ve kalsiyum içeren yeni bir alaşım ailesi geliştirdiler.
Çinko ve kalsiyum aynı zamanda biyolojik olarak uyumlu olan magnezyum gibidir ve insan vücudu tarafından emilebilir. Spesifik işlemden sonra, yeni alaşımlar üç elementin hepsinden oluşan değişken ebat ve yoğunlukta çökeltiler oluşturur. Boyutları sadece birkaç on nanometre olan bu çökeltiler, mekanik özellikleri iyileştirmek için gereklidir ve bozunma hızını etkileyebilir.
Bu ümit verici sonuçlara rağmen, önemli bir faktör hala bu biyouyumlu magnezyum alaşımlarının cerrahi uygulamalarda geniş bir şekilde yayılmasını engellemektedir: bu malzemelerin vücutta fizyolojik koşullar altında ne kadar süre kullanılabildiği ve bunun ne kadar sürdüğü konusunda makul tahminler hakkında çok az şey bilinmektedir. İnsan vücudunda kalacak bir implant bu nedenle imkansız hale geldi.
Nano ölçekte değişiklikleri izleme
Jörg Löffler ve meslektaşları Martina Cihova ve Robin Schäublin, analitik transmisyon elektron mikroskobu (TEM) kullanarak, şimdi birkaç saniye ile birkaç saat arasında değişen fizyolojik koşullar altında simüle fizyolojik koşullar altında magnezyum alaşımlarındaki yapısal ve kimyasal değişiklikleri ayrıntılı olarak izlemeyi başardılar. Şimdiye kadar birkaç nanometrenin ulaşılmayan çözünürlükleri. Son zamanlarda sonuçlarını Advanced Materials'ta yayınladılar .
ETH'nin yetkinlik merkezi "ScopeM" tarafından sağlanan modern TEM teknolojisi sayesinde araştırmacılar, çökeltilerin magnezyum matrisindeki çözünmesini önemli ölçüde yöneten şimdiye kadar gözlemlenmemiş bir dealloying mekanizmasını belgelemişlerdir. Pratik olarak gerçek zamanlı olarak, kalsiyum ve magnezyum iyonlarının simüle edilmiş vücut sıvısıyla temas ettiklerinde çökeltilerden nasıl çözüldüğünü, çinko iyonlarının ise sabit kaldığını ve biriktiğini gözlemlediler. Çökeltilerin kimyasal bileşiminde meydana gelen ve "bozulma giderme" olarak adlandırılan değişim, elektrokimyasal aktivitelerinde dinamik bir değişiklik meydana getirir ve genel olarak magnezyum alaşımı bozulmasını hızlandırır.
Löffler, "Bu bulgu, çökeltilerin magnezyum alaşımlarındaki kimyasal bileşiminin değişmediğini varsayan hakim bir dogayı devirmektedir" diyor. Bu önceki varsayımın, bozulma zamanlarıyla ilgili çoğunlukla yanlış tahminlere yol açmıştı. Jörg Löffler'in doktora öğrencisi Martina Cihova, “Rapor sunduğumuz mekanizma evrensel olarak geçerli görünüyor ve hem diğer magnezyum alaşımlarında hem de metaller arası çökeltiler içeren diğer aktif maddelerde gerçekleşmesini bekliyoruz” diyor.
Yukarıda açıklanan yeni bilgiler sayesinde, vücuttaki bozulma oranlarının daha iyi tahmin edilip daha hassas bir şekilde kontrol edilebileceği şekilde magnezyum alaşımlarının tasarlanması artık mümkün . Bu, magnezyum implantlarının çocuklarda yetişkinlere göre çok daha hızlı bozunabileceği ve stentlerin yıkılmasının kemik plakaları veya vidalardan daha yavaş olması gerektiğine ilişkin önemli bir gelişmedir. Cihova, "Hareket eden korozyon mekanizmaları hakkında ayrıntılı bilgi toplayarak, magnezyum alaşımlarını farklı hastalara ve tıbbi uygulamalara uyarlama yolunda önemli bir adım attık " diyor. Korozyon mekanizmalarının anlaşılmasını daha da güçlendirmek için doktora sonrası araştırması şimdi in vivo magnezyumun elektron mikroskobu analizlerine odaklanacak implantlar.
Bilim & Teknoloji
