De seneste magnesiumundersøgelser baner vejen for nye biomedicinske materialer

Materialer anvendt i biomedicin skal karakteriseres ved kontrolleret bionedbrydelighed, tilstrækkelig styrke og totalt fravær af toksicitet for menneskekroppen. Søgningen efter sådanne materialer er, derfor, ikke en simpel opgave. I denne sammenhæng, forskere har længe været interesserede i magnesium. For nylig, ved hjælp af teknikker som positron tilintetgørelsesspektroskopi, forskerne var i stand til at påvise, at magnesium, der udsættes for overflademekanisk nedslidningsbehandling, opnår de egenskaber, der er nødvendige for et biokompatibelt materiale.

Materialer, der viser kontrolleret korrosionshastighed, vinder mere og mere interesse. Dette gælder især biomedicin, hvor der anvendes implantater af naturlige eller syntetiske polymerer. Deres fordel er, at nedbrydningshastigheden let kan justeres under fysiologiske forhold. På den anden side, de mekaniske egenskaber af disse materialer forringes i menneskekroppens miljø, hvilket gør dem uegnede til applikationer med høj belastning. Af denne grund, Metalliske implantater baseret på magnesium, der er helt ufarlige for menneskekroppen, synes at være en god mulighed.

Magnesium er det letteste metal, der kan bruges i strukturelle applikationer. På grund af dets mekaniske, termiske og elektriske egenskaber samt biologisk nedbrydelighed og den kontrollerede korrosionshastighed, det vækker stor interesse for forskere, der beskæftiger sig med biokompatible implantater. På trods af disse fordele, anvendelsen af ​​magnesium som biomateriale til fremstilling af implantater har ikke været let på grund af den relativt høje korrosionshastighed i menneskekroppens miljø. Imidlertid, dette problem kan løses ved hjælp af passende belægninger.

I mange års forskning, det blev bemærket, at den finkornede mikrostruktur af materialer ikke kun forbedrer deres mekaniske egenskaber, men også kan øge korrosionsbestandigheden betydeligt. Derfor satte et internationalt forskerhold ledet af Prof. korrosionsbestandighed. I denne metode, et stort antal rustfrit stålkugler med et par millimeter i diameter ramte overfladen af ​​målmaterialet, forårsager plastisk deformation af underlaget. Plastisk deformation ledsages af produktion af et stort antal krystalgitterdefekter.

Typiske forskningsteknikker såsom lys- og elektronmikroskopi, Røntgendiffraktion (XRD), elektron backscatter diffraktion (EBSD), og mikrohardhedsmålinger blev brugt til at beskrive mikrostrukturen.

"Mikroskopisk undersøgelse afslørede en gradvist skiftende mikrostruktur af materialets overfladelag, dannet under SMAT -behandling. Vi observerede betydelig kornforfining tæt på den behandlede overflade. Deformation tvillinger var synlige dybere, hvis tæthed faldt med stigende afstand fra denne overflade, "forklarer prof. Dryzek.

Som en del af dette arbejde, positron tilintetgørelsesspektroskopi (PAS) blev brugt for første gang. Teknikken er ikke-destruktiv og giver mulighed for identifikation af gitterdefekter på atomniveau. Det består i, at når positroner implanteres i en materialeprøve og møder deres antipartikler, dvs. elektroner, de tilintetgør og bliver til fotoner, der kan registreres. En positron, der på sin vej finder en åben volumendefekt i krystalgitteret, kan blive fanget i den. Dette forlænger tiden, indtil den tilintetgøres. Måling af positrons levetid giver forskere et billede af prøvens struktur på atomniveau.

Formålet med at bruge denne metode var, i særdeleshed, at indhente oplysninger om fordelingen af ​​krystalgitterdefekter i overfladelaget som følge af SMAT -behandling. Også, det blev anvendt til at undersøge et materialelag med en tykkelse på et par mikrometer, ligger lige under den behandlede overflade, og at forbinde de opnåede oplysninger med korrosionsegenskaber. Dette er vigtigt, fordi gitterdefekterne bestemmer materialernes nøgleegenskaber, når det bruges, for eksempel, inden for metallurgi eller halvlederteknologi.

"Positronernes gennemsnitlige levetid i det 200 mikrometer lag opnået fra 120 sekunders SMAT-behandlingen viser en høj konstant værdi på 244 picosekunder. Det betyder, at alle positroner, der udsendes fra kilden, der når dette lag, tilintetgøres i strukturdefekter, dvs. manglende atomer på stederne i krystalgitteret kaldet ledige stillinger, som i dette tilfælde er forbundet med dislokationer. Dette lag svarer til et stærkt deformeret område med fine kerner. Dybere, den gennemsnitlige levetid for positroner falder, hvilket indikerer en faldende koncentration af defekter, når i en afstand på ca. 1 millimeter fra overfladen værdikarakteristikken for velglødet magnesium med en relativt lav densitet af strukturelle defekter, som var vores referencemateriale, "Ph.d. -studerende Konrad Skowron, hovedforfatter til artiklen og ophavsmand til undersøgelserne, beskriver detaljerne i arbejdet.

SMAT -processen påvirkede magnesiumprøvernes adfærd betydeligt under elektrokemiske korrosionstest. Strukturelle ændringer forårsaget af SMAT øgede magnesiums modtagelighed for anodisk oxidation, intensivere dannelsen af ​​en hydroxidfilm på overfladen og følgelig føre til bedre korrosionsbestandighed. Dette bekræftes af resultaterne opnået ved brug af en positronstråle ved Joint Institute for Nuclear Research i Dubna, Rusland. Resultaterne viser, at udover de korn- og undergrænsegrænser, der findes på overfladen, også andre krystaldefekter, såsom dislokationer og ledige stillinger, kan spille en væsentlig rolle i magnesiumens ætsende adfærd.

"Vi er i øjeblikket i gang med en lignende undersøgelse for titanium. Titanium er et metal, der er meget udbredt i rumfart, bil, energi og kemiske industrier. Det anvendes også som et materiale til produktion af biomedicinsk udstyr og implantater. En økonomisk acceptabel metode, der gør det muligt at opnå rent titanium med en gradientmikrostruktur med nanometriske korn i lag ved siden af ​​overfladen, kan åbne større muligheder for anvendelse af titanium i produkter, der er vigtige for den globale økonomi og for at forbedre menneskelivets komfort, "siger prof. Dryzek.