Ny fleksibel og sej superelastisk metallegering viser lovende i biomedicinske anvendelser

En forskergruppe har afsløret et kobolt-chrom-baseret biomateriale, der efterligner fleksibiliteten af ​​menneskelige knogler og besidder fremragende slidstyrke. Det nye biomateriale kan bruges til implantater som hofte- eller knæledsudskiftninger og knogleplader, hvilket afhjælper problemer forbundet med konventionelle implantatmaterialer.

Detaljer om deres forskning blev offentliggjort i tidsskriftet Advanced Materials den 9. maj 2022.

Med den ældre befolkning stigende over hele kloden, er behovet for forbedrede biomaterialer, der kan erstatte eller understøtte beskadigede knogler, steget. Til dette formål er metaller meget brugt på grund af deres styrke og duktilitet. Men som følge af deres styrke formindskes deres fleksibilitet.

Til dato er de fleste metalliske biomaterialer stivere end menneskelige knogler, og at bruge dem som implantater fører til knogleatrofi - en tilstand, hvor knogletætheden reduceres på grund af nedbrydning af knoglesubstans og -struktur. I mellemtiden mister biomaterialer med øget fleksibilitet deres slidstyrke.

Selvom superelastiske materialer fremstillet af nikkel-titanium (Ni-Ti) legeringer, som almindeligvis anvendes i stents og ortodontiske ledninger, opretholder høj fleksibilitet og evnen til at komme sig efter belastning, er Ni et allergisk element. Ni-fri legeringer har ikke kopieret superelasticiteten af ​​Ni-Ti legeringer, hvilket gør dem upraktiske.

Forskergruppen, som bestod af forskere fra Tohoku University's Graduate School of Engineering og Institute for Materials Research (IMR), J-PARC Center, Japan Atomic Energy Agency og det tjekkiske videnskabsakademi, fokuserede på at mindske Youngs modulgab mellem metalimplantater og menneskeknogler. Når et materiale er fleksibelt, har det et lavt Youngs modul. Når den er stiv, har den et højt Youngs modul.

"Da Youngs modul afhænger af krystalorientering, dyrkede vi enkeltkrystaller med en specifik krystalorientering," sagde Xiao Xu, tilsvarende forfatter og assisterende professor ved Tohoku University's Graduate School of Engineering.

Ved hjælp af en cyklisk varmebehandlingsteknik har Xu og hans kolleger med succes forberedt store enkeltkrystaller på flere centimeter. Den udviklede Co-Cr-Al-Si (CCAS)-legering demonstrerede en 17% spændingsgenvindingsgrad - det dobbelte af kommercielle Ti-Ni-formhukommelseslegeringer. Desuden var CCAS's Young's modul ekstremt lavt, hvilket lignede fleksibiliteten af ​​menneskelige knogler.

"Vi vidste, at krom besidder stærk korrosionsbestandighed, men superelasticiteten, fleksibiliteten og den betydelige slidstyrke af det kobolt-chrom-baserede materiale overraskede os," tilføjede Xu.

Fremover håber forskergruppen at udforske, hvorfor deres CCAS opnåede de overlegne egenskaber, den gjorde. Hvis du gør det, kan det føre til udvikling af næste generations materialer med endnu bedre egenskaber. + Udforsk yderligere

En ny metode til at kontrollere mikrostrukturen og ydeevnen af ​​3D-printede menneskelige implantater