Magnesiumlegierungen beim Korrodieren zusehen

Magnesium und seine Legierungen halten vermehrt Einzug in die Medizin: einerseits als Material f¨¹r Implantate in der Knochenchirurgie wie Schrauben oder Platten, andererseits als Material f¨¹r Stents, um bei kardiovaskul?ren Eingriffen verengte Herzkranzgef?sse aufzuweiten.

Das Leichtmetall hat gegen¨¹ber herk?mmlichen Implantaten aus Edelstahl, Titan oder Polymeren den Vorteil, dass es bioresorbierbar ist. Somit ist keine zweite Operation n?tig, um die Implantate wieder aus dem K?rper von Patienten zu entfernen. Magnesium f?rdert zudem das Knochenwachstum, was die Heilung von Knochenbr¨¹chen aktiv unterst¨¹tzt.

Reines Magnesium eignet sich allerdings nicht f¨¹r solche chirurgischen Anwendungen, da es zu weich ist. Um die n?tige Festigkeit zu erreichen, m¨¹ssen daher Legierungselemente hinzugef¨¹gt werden. ?blicherweise sind dies Elemente der Seltenen Erden wie Yttrium und Neodym. Da diese jedoch k?rperfremd sind, k?nnen sie sich beim Abbau der Implantate in Organen ansammeln ¨C mit unzureichend verstandenen Folgen. Insbesondere f¨¹r Kinder sind solche Implantate deshalb ungeeignet.

K?rpervertr?gliche Legierungselemente

Forscherinnen und Forscher des Labors f¨¹r Metallphysik und Technologie von ETH-Professor J?rg L?ffler haben daher eine neue Familie von Legierungen entwickelt, welche nebst Magnesium ausschliesslich die Elemente Zink und Kalzium enthalten. Deren Anteil ist in diesen Legierungen mit Absicht sehr gering gew?hlt und liegt unterhalb von einem Prozent.

Wie Magnesium sind auch diese Elemente biokompatibel und k?nnen vom menschlichen K?rper resorbiert werden. Je nach Herstellungsverfahren bilden sich in den neu entwickelten Legierungen Ausscheidungen aus, die aus den drei Legierungselementen zusammengesetzt sind. Diese Ausscheidungen sind unterschiedlich h?ufig und verschieden gross, und messen oft nur wenige Dutzend Nanometer. F¨¹r gute mechanische Eigenschaften sind diese jedoch essentiell und beeinflussen m?glicherweise die Korrosionsgeschwindigkeit des Materials.

Doch noch steht dem breiten chirurgischen Einsatz dieser k?rpervertr?glichen Magnesiumlegierungen ein Hindernis im Weg: Die Forschung weiss zu wenig ¨¹ber die Mechanismen, mit denen die Metallteile im K?rper unter sogenannten physiologischen Bedingungen abgebaut werden. Deswegen sind auch brauchbare Voraussagen dar¨¹ber, wie lange ein solches Implantat im K?rper verbleibt, bisher kaum m?glich.

Entlegierungsmechanismus erstmals dokumentiert

Mittels analytischer Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) konnten J?rg L?ffler und seine Kollegen Martina Cihova und Robin Sch?ublin nun die strukturellen und chemischen Ver?nderungen von Magnesiumlegierungen unter simulierten physiologischen Bedingungen ab weniger Sekunden bis hin zu Stunden im Detail beobachten, und zwar in einer bisher unerreichten Aufl?sung von einigen Nanometern. Die Resultate der Studie wurden vor kurzem in der Fachzeitschrift ?externe Seite Advanced Materials? ver?ffentlicht.

Mithilfe dieser modernen Technik, die an der ETH Z¨¹rich durch das Kompetenzzentrum ?ScopeM? zur Verf¨¹gung steht, konnten die Forschenden mit Unterst¨¹tzung von Patrik Schmutz von der Empa D¨¹bendorf einen bisher nicht beobachteten Entlegierungsmechanismus (?Dealloying?) dokumentieren, der den Abbau der Ausscheidungen in der Magnesiummatrix massgeblich bestimmt.

Sie konnten fast in Echtzeit beobachten, wie aus den Ausscheidungen w?hrend ihres Kontakts mit simulierter K?rperfl¨¹ssigkeit Kalzium- und Magnesiumionen austreten, wohingegen Zinkionen zur¨¹ckbleiben und sich anreichern (s. Grafik). Dadurch ver?ndert sich die chemische Zusammensetzung der Ausscheidungen kontinuierlich. Dies f¨¹hrt bei den Ausscheidungen auch dazu, dass sich ihre elektrochemische Aktivit?t dynamisch ver?ndert und sie damit den Materialabbau insgesamt beschleunigen.

?Diese Erkenntnis st?sst das bisherige Dogma um. Bisher nahm die Forschung n?mlich an, dass die chemische Zusammensetzung der Ausscheidungsphasen in Magnesiumlegierungen w?hrend der Korrosion unver?ndert bleibt?, sagt L?ffler. Diese Annahme habe dazu gef¨¹hrt, dass die meisten Voraussagen ¨¹ber die Dauer des Abbaus falsch waren. ?Der von uns beobachtete Mechanismus scheint universell zu sein und wir gehen davon aus, dass er sowohl in anderen Magnesiumlegierungen als auch in anderen aktiven Materialien mit intermetallischen Ausscheidungen auftritt?, erg?nzt Martina Cihova, Doktorandin von J?rg L?ffler und Erstautorin der Studie.

Dank der neuen Erkenntnisse ist es nun m?glich, Magnesiumlegierungen so zu designen, dass deren Abbauverhalten im K?rper besser vorausgesagt und genauer kontrolliert werden kann. Dies ist essenziell, weil Magnesiumimplantate im K?rper von Kindern wesentlich schneller abgebaut werden k?nnen als von Erwachsenen. Die Abbaurate von Magnesiumlegierungen f¨¹r Stents sollte zudem erheblich langsamer sein als die f¨¹r Knochenplatten oder -schrauben. ?Mit dem Wissen ¨¹ber das detaillierte Korrosionsverhalten sind wir dem Ziel massgeschneiderter Legierungen f¨¹r unterschiedliche Patienten und medizinische Anwendungen einen entscheidenden Schritt n?her gekommen?, sagt Cihova. Das Verst?ndnis ¨¹ber die agierenden Korrosionsmechanismen will sie nun im Rahmen ihres Postdoktorats durch elektronenmikroskopische Analysen an in vivo-Implantaten weiter ausbauen.