Naukowcy z KIST (Korea Institute of Science and Technology) opracowali biodegradowalne stopy magnezu o dużej wytrzymałości do produkcji implantów medycznych. Stopy składające się z magnezu (Mg), wapnia (Ca) oraz cynku (Zn) po spełnieniu zadania są zwyczajnie rozpuszczane i wchłaniane przez organizm, a następnie zastępowane żywą tkanką.
Materiały metalowe, takie jak stopy tytanu, stopy na bazie kobaltu, a także stal nierdzewna są często stosowane jako implanty nośne do naprawy lub zastąpienia chorych, uszkodzonych tkanek. Mają dużą wytrzymałość, rozciągliwość i są biokompatybilne w warunkach in vivo (z łac. na żywym – odnosi się do czegoś, co ma miejsce wewnątrz żywego organizmu). Elementy wykonane z wyżej wymienionych stopów pozostają w organizmie po zabiegu. Minusem ich używania jest fakt, że taki implant musi zostać usunięty chirurgicznie po odbudowie właściwych tkanek.
Biodegradowalne stopy stworzone przez koreańskich naukowców pozostawały w dobrej kondycji w okresie do 12 do 24 tygodni po wszczepieniu do organizmu. W tym czasie zarastały naturalną tkanką, po czym są ulegały rozkładowi. Potencjalny pacjent może uniknąć dodatkowej operacji, co prowadzi do zmniejszenia ryzyka i niepotrzebnego stresu.
Stopy, których głównym składnikiem jest magnez zbudowane są z pierwiastków, które są jednocześnie podstawowymi minerałami niezbędnymi do funkcjonowania ludzkiego organizmu. Głównym kierunkiem badań było dopasowanie (wyrównanie) potencjałów degradacji między metaliczną osnową i dodatkami stopowymi. Domieszka cynku do stopu Mg-Ca, zmieniła potencjały korozyjne (tym samym szybkość rozkładu) dwóch składowych faz (Mg oraz Mg2Ca). Zapobiegło to utworzeniu się obwodu galwanicznego, który powodowałby zbyt szybką korozję materiałów metalowych. Zmniejszona szybkość korodowania stopu była porównywalna do szybkości korozji magnezu wysokiej czystości. Odpowiedni czas i równomierny rozkład implantów do tej pory stanowiły największy problem przy projektowaniu degradowalnych materiałów.
Nowy implant ze stopu magnezu zostanie rozłożony przez organizm, a pierwiastki posłużą jako składnik budowy żywej tkanki.
Próbki do badań zostały stworzone poprzez połączenie czystego magnezowego wlewka oraz ziaren cynku i wapnia. Całość była topiona w piecu w ochronnej atmosferze argonu, w temperaturze 790°C przez 120 minut. Następnie stop został odlany do postaci walców o średnicy 50 mm i długości 60 mm. Próbki implantów do badań zostały wytworzone w procesie wyciskania. W zależności od proporcji składników stopowych granica plastyczności mieściła się w przedziale 130 do 217 MPa, wytrzymałość na rozciąganie wynosiła od 231 do 272 MPa, a wydłużenie od 4 do 30% (dla próbek o zwiększonej zawartości wapnia). W stopach gdzie cynku było więcej wapnia granica plastyczności wynosiła odpowiednio od 155 do 194 MPa, wytrzymałość na rozciąganie mieściła się w granicach od 365 do 406 MPa, a wydłużenie wynosiło od 16,5 do 18,5%.
Jony magnezu są zazwyczaj obecne w ludzkim organizmie w dużych ilościach. Ich zaangażowanie jest konieczne w wielu procesach biologicznych i metabolicznych. Cynk i wapń są również niezbędne do prawidłowego funkcjonowania. Podczas rozkładu implantu pierwiastki użyte do jego budowy mogą stymulować i wspomagać wzrost nowej tkanki kostnej. Stopy na bazie magnezu zapewniają zarówno biokompatybilność jak i odpowiednie właściwości mechaniczne. Lekkie, degradowalne implanty ortopedyczne, z właściwą szybkością korozji oraz elektrochemicznym charakterem czystego metalu mogą stanowić nową generację wszczepów. Obecnie naukowcy są w trakcie przeprowadzania badań klinicznych.
Źródło:
[1] Biodegradability engineering of biodegradable Mg alloys: Tailoring the electrochemical properties and microstructure of constituent phases. Pil-Ryung Cha, Hyung-Seop Han, Gui-Fu Yang, Yu-Chan Kim, Ki-Ha Hong, Seung-Cheol Lee, Jae-Young Jung, Jae-Pyeong Ahn, Young-Yul Kim, Sung-Youn Cho, Ji Young Byun, Kang-Sik Lee, Seok-Jo Yang & Hyun-Kwang Seok. Scientific Reports 3, Article number: 2367 doi:10.1038/srep02367
[2] http://www.nature.com/srep/2013/130806/srep02367/pdf/srep02367.pdf | 23.11.2013
[3] http://www.nature.com/srep/2013/130806/srep02367/extref/srep02367-s1.pdf | 23.11.2013
[4] http://www.ibme.ucl.ac.uk/external/development-and-clinical-approval-of-biodegradeble-magnesium-alloy-for-medical-devices/ | 23.11.2013
[5] Medical/Surgical Operative Photography by Phalinn Ooi (phalinn), flickr.com, CC BY 2.0
[6] Radial Head Implant by H Dragon, flickr.com, CC BY 2.0