Osservare la corrosione delle leghe di magnesio

Il magnesio e le sue leghe trovano sempre più spazio in medicina: da un lato come materiale per impianti in chirurgia ossea come viti o placche, dall'altro come materiale per stent per allargare le arterie coronarie ristrette durante gli interventi cardiovascolari.

Il metallo leggero ha il vantaggio, rispetto agli impianti convenzionali in acciaio inossidabile, titanio o polimeri, di essere bioriassorbibile. Ciò significa che non è necessario un secondo intervento per rimuovere gli impianti dal corpo del paziente. Il magnesio favorisce inoltre la crescita ossea, supportando attivamente la guarigione delle fratture ossee.

Tuttavia, il magnesio puro non è adatto a queste applicazioni chirurgiche perché è troppo morbido. Per ottenere la resistenza necessaria, è quindi necessario aggiungere elementi di lega. Di solito si tratta di elementi delle terre rare, come l'ittrio e il neodimio. Tuttavia, essendo estranei al corpo, possono accumularsi negli organi quando gli impianti si degradano, con conseguenze non sufficientemente comprese. Tali impianti sono quindi particolarmente inadatti ai bambini.

Elementi di lega compatibili con il corpo

I ricercatori del Laboratorio di Fisica e Tecnologia dei Metalli del professor J?rg L?ffler dell'ETH hanno quindi sviluppato una nuova famiglia di leghe che contengono solo gli elementi zinco e calcio oltre al magnesio. La percentuale di zinco e calcio in queste leghe è volutamente molto bassa, inferiore all'uno per cento.

Come il magnesio, anche questi elementi sono biocompatibili e possono essere assorbiti dal corpo umano. A seconda del processo di produzione, nelle leghe di nuova concezione si formano precipitati composti dai tre elementi di lega. Questi precipitati variano in frequenza e dimensione e spesso misurano solo poche decine di nanometri. Tuttavia, sono essenziali per ottenere buone proprietà meccaniche e possono influenzare il tasso di corrosione del materiale.

Tuttavia, un ostacolo si frappone ancora alla diffusione dell'uso chirurgico di queste leghe di magnesio compatibili con il corpo: la ricerca conosce troppo poco i meccanismi con cui le parti metalliche vengono scomposte nel corpo in condizioni cosiddette fisiologiche. Per questo motivo, è difficile fare previsioni utili sulla durata di permanenza di un impianto di questo tipo nell'organismo.

Documentato per la prima volta il meccanismo di dealloying

Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione analitica (TEM), J?rg L?ffler e i suoi colleghi Martina Cihova e Robin Sch?ublin sono ora in grado di osservare in dettaglio i cambiamenti strutturali e chimici delle leghe di magnesio in condizioni fisiologiche simulate, da pochi secondi a ore, a una risoluzione di pochi nanometri finora irraggiungibile. I risultati dello studio sono stati recentemente pubblicati sulla rivista scientifica "pagina esternaMateriali avanzati" pubblicato.

Con l'aiuto di questa moderna tecnologia, decisa dall'ETH di Zurigo attraverso il centro di competenza "ScopeM", i ricercatori, con il supporto di Patrik Schmutz dell'Empa di Dübendorf, sono riusciti a documentare un meccanismo di dealloying finora non osservato che determina in modo significativo la degradazione dei precipitati nella matrice di magnesio.

I ricercatori hanno potuto osservare quasi in tempo reale come gli ioni di calcio e magnesio vengono rilasciati dalle feci durante il loro contatto con il fluido corporeo simulato, mentre gli ioni di zinco rimangono indietro e si accumulano (vedi diagramma). Di conseguenza, la composizione chimica delle feci cambia continuamente. Questo porta anche a un cambiamento dinamico dell'attività elettrochimica delle feci, accelerando così la degradazione complessiva del materiale.

"Questa scoperta ribalta il dogma precedente. Finora, la ricerca ha ipotizzato che la composizione chimica delle fasi di precipitazione nelle leghe di magnesio rimanesse invariata durante la corrosione", afferma L?ffler. Questo presupposto ha fatto sì che la maggior parte delle previsioni sulla durata della degradazione fossero sbagliate. "Il meccanismo che abbiamo osservato sembra essere universale e presumiamo che si verifichi anche in altre leghe di magnesio e in altri materiali attivi con precipitati intermetallici", aggiunge Martina Cihova, dottoranda di J?rg L?ffler e prima autrice dello studio.

Grazie alle nuove scoperte, è ora possibile progettare leghe di magnesio in modo tale da prevedere meglio e controllare con maggiore precisione il loro comportamento di degradazione nell'organismo. Questo è essenziale perché gli impianti di magnesio possono essere degradati molto più velocemente nel corpo dei bambini che in quello degli adulti. Il tasso di degradazione delle leghe di magnesio per gli stent dovrebbe essere molto più lento di quello delle placche o delle viti ossee. "Con la conoscenza del comportamento dettagliato della corrosione, abbiamo fatto un passo decisivo verso l'obiettivo di leghe su misura per diversi pazienti e applicazioni mediche", dice Cihova. Nell'ambito della sua ricerca post-dottorato, la ricercatrice vuole ora comprendere meglio i meccanismi di corrosione attivi attraverso analisi al microscopio elettronico di in vivo-Impianti in ulteriore espansione.