Regarder les alliages de magnésium se corroder

Le magnésium et ses alliages font de plus en plus leur entrée en médecine : d'une part comme matériau pour les implants en chirurgie osseuse, comme les vis ou les plaques, et d'autre part comme matériau pour les stents, afin de dilater les artères coronaires rétrécies lors d'interventions cardiovasculaires.

Par rapport aux implants traditionnels en acier inoxydable, en titane ou en polymères, ce métal léger présente l'avantage d'être biorésorbable. Ainsi, une deuxième opération n'est pas nécessaire pour retirer les implants du corps des patients. Le magnésium favorise en outre la croissance osseuse, ce qui soutient activement la guérison des fractures osseuses.

Le magnésium pur ne convient toutefois pas à de telles applications chirurgicales, car il est trop mou. Pour obtenir la résistance nécessaire, il faut donc ajouter des éléments d'alliage. Il s'agit généralement d'éléments de terres rares comme l'yttrium et le néodyme. Mais comme ces éléments sont étrangers au corps, ils peuvent s'accumuler dans les organes lors de la dégradation des implants - avec des conséquences mal comprises. De tels implants ne conviennent donc pas aux enfants en particulier.

Des éléments d'alliage compatibles avec le corps humain

Les chercheurs du laboratoire de physique et de technologie des métaux du professeur J?rg L?ffler de l'ETH ont donc développé une nouvelle famille d'alliages qui, outre le magnésium, contiennent exclusivement les éléments zinc et calcium. La proportion de ces derniers dans ces alliages est volontairement très faible et se situe en dessous d'un pour cent.

Comme le magnésium, ces éléments sont biocompatibles et peuvent être absorbés par le corps humain. Selon le procédé de fabrication, des précipités composés des trois éléments d'alliage se forment dans les nouveaux alliages développés. Ces précipités sont plus ou moins fréquents et de tailles différentes, et ne mesurent souvent que quelques dizaines de nanomètres. Elles sont pourtant essentielles pour obtenir de bonnes propriétés mécaniques et influencent éventuellement la vitesse de corrosion du matériau.

Mais un obstacle s'oppose encore à l'utilisation chirurgicale à grande échelle de ces alliages de magnésium compatibles avec le corps humain : la recherche en sait trop peu sur les mécanismes par lesquels les pièces métalliques sont dégradées dans le corps dans des conditions dites physiologiques. C'est pourquoi il n'est guère possible de faire des prévisions valables sur la durée de vie d'un tel implant dans le corps.

Le mécanisme de désalliage est documenté pour la première fois

Gr?ce à la microscopie électronique à transmission analytique (MET), J?rg L?ffler et ses collègues Martina Cihova et Robin Sch?ublin ont désormais pu observer en détail les modifications structurelles et chimiques des alliages de magnésium dans des conditions physiologiques simulées, à partir de quelques secondes et jusqu'à plusieurs heures, et ce avec une résolution de quelques nanomètres, jamais atteinte auparavant. Les résultats de l'étude ont été publiés récemment dans la revue spécialisée "page externeMatériaux avancés" publié.

A l'aide de cette technique moderne, disponible à l'ETH Zurich par le biais du centre de compétences "ScopeM", les chercheurs ont pu documenter, avec l'aide de Patrik Schmutz de l'Empa Dübendorf, un mécanisme de désalliage ("dealloying") qui n'avait pas encore été observé et qui détermine de manière déterminante la dégradation des précipités dans la matrice de magnésium.

Ils ont pu observer, presque en temps réel, comment les ions calcium et magnésium s'échappent des excréments pendant leur contact avec un liquide corporel simulé, tandis que les ions zinc restent et s'accumulent (voir graphique). La composition chimique des excréments est ainsi continuellement modifiée. Dans le cas des excréments, cela entra?ne également une modification dynamique de leur activité électrochimique, ce qui accélère globalement la dégradation des matériaux.

"Cette découverte renverse le dogme qui prévalait jusqu'à présent. Jusqu'à présent, la recherche supposait en effet que la composition chimique des phases de précipitation dans les alliages de magnésium restait inchangée pendant la corrosion", explique L?ffler. Selon lui, cette hypothèse a conduit à ce que la plupart des prédictions sur la durée de la dégradation soient erronées. "Le mécanisme que nous avons observé semble être universel et nous supposons qu'il se produit aussi bien dans d'autres alliages de magnésium que dans d'autres matériaux actifs avec des précipités intermétalliques", ajoute Martina Cihova, doctorante de J?rg L?ffler et premier auteur de l'étude.

Gr?ce à ces nouvelles connaissances, il est désormais possible de concevoir des alliages de magnésium de telle sorte que leur comportement de dégradation dans le corps puisse être mieux prédit et contr?lé plus précisément. C'est essentiel, car les implants en magnésium peuvent se dégrader beaucoup plus rapidement dans le corps des enfants que dans celui des adultes. Le taux de dégradation des alliages de magnésium pour les stents devrait en outre être nettement plus lent que celui des plaques ou des vis osseuses. "Gr?ce à la connaissance du comportement détaillé de la corrosion, nous avons fait un pas décisif vers l'objectif d'alliages sur mesure pour différents patients et applications médicales", explique Cihova. Dans le cadre de son post-doctorat, elle veut maintenant améliorer sa compréhension des mécanismes de corrosion en action par des analyses au microscope électronique sur des in vivo-Poursuivre le développement des implants.