< Terug naar vorige pagina

Project

Degradatietesten van magnesium en magnesium legeringen voor biologisch afbreekbare implantaten

Magnesiumlegeringen zijn interessante materialen voor bioafbreekbare implantaten. Het voordeel van zulke implantaten ligt in het feit dat ze langzaam door het menselijk lichaam worden afgebroken nadat ze hun taak hebben vervuld. Bioafbreekbare implantaten kunnen bijvoorbeeld gebruikt worden in de orthopedie als breukstabilisatoren waardoor een operatie om een niet-afbreekbaar implantaat weg te nemen, bv. uit titaan, niet langer hoeft. De uitdaging bij bioafbreekbare implantaten uit magnesium is dat de vereiste eigenschappen specifiek zijn voor elke toepassing. Dit betekent dat het implantaat geselecteerd dient te worden op basis van zowel de implantatielocatie en de karakteristieken van de patiënt zodat het implantaat correct functioneert gedurende het genezingsproces.

Voor dit doel worden in deze thesis snel- en traagafbrekende magnesiumlegeringen onderzocht. Daarvoor werden respectievelijk zilver (Ag) en gadolinium (Gd) als legeringselementen toegevoegd. Enerzijds kan de toevoeging van zilver de corrosiesnelheid van magnesium verhogen wat de antibacteriële eigenschappen verbetert. De toevoeging van gadolinium leidt anderzijds tot een langzame degradatie omdat de invloed van onzuiverheden zoals ijzer, nikkel of koper wordt verlaagd. Ter vergelijking met andere studies zijn ook zuiver magnesium en Mg-4Y-3RE onderzocht. Mg-4Y-3RE is gekozen omdat het gelijkaardig is aan de legeringen die momenteel reeds worden gebruikt voor bioafbreekbare implantaten. Het degradatiegedrag van deze magnesium-gebaseerde legeringen is bestudeerd aan de hand van elektrochemische en immersietechnieken. Om het degradatiegedrag van magnesium te kunnen begrijpen dienen meerdere factoren in rekening gebracht te worden met betrekking tot de gebruikte omstandigheden en materialen.

Ten eerste hebben de testomstandigheden een grote invloed op het degradatiegedrag van magnesiumlegeringen. Deze parameters bestaan hoofdzakelijk uit het elektroliet, buffers, atmosfeer, de verhouding tussen het elektrolietvolume en de oppervlakte van het sample (V/S-ratio) en de positionering van het sample. Om enkele van deze verschillende testomstandigheden te onderzoeken zijn in vitro-immersietesten uitgevoerd op de eerder vermelde magnesiumlegeringen. De oplossingen die in de in vitrotesten werden gebruikt zijn fosfaat-gebufferde zoutoplossingen (PBS), Hanks gebalanceerde zoutoplossing (HBSS) en Dulbecco’s gemodificeerde eagle medium (DMEM). Bij het gebruik van DMEM werd ook 5 vol.% CO2 toegevoegd aan de atmosfeer om de buffercapacitieit te verhogen. In PBS werden grote verschillen in de degradatiesnelheid opgemerkt tussen Mg-Gd en Mg-Ag terwijl de verschillen in DMEM verkleinden. Het chloorgehalte van de oplossing en de vorming van een laag degradatieproducten hebben een cruciale invloed op het degradatiegedrag.

Ten tweede hangt het degradatiegedrag van het materiaal af van de verschillende legeringselementen en bewerkingsstappen die significante wijzingen kunnen aanbrengen in de microstructuur en de hoeveelheid onzuiverheden. Daarom werd het degradatiegedrag van zuiver magnesium, Mg-10Gd en Mg-2Ag, geproduceerd in schijf- of pinvorm, vergeleken met respectievelijk in vitrotesten en in vivotesten. Deze analyse toonde de grote invloed aan van ijzer- en nikkelonzuiverheden, alsook die van de korrelgrootte op het in vivodegradatiegedrag. Daarbij was de rol van Gd- en Ag-toevoegingen van minder belang. Uit deze studie bleek dat de degradatiesnelheid en de oppervlaktelagen bepaald in DMEM beter overeenkwamen met in vivotesten. DMEM is dus een betere imitatie voor in vivotesten. Echter, om het imitatiegedrag van DMEM te bereiken is ook gekeken naar de noodzaak van sterilisatie. Zoniet zou een vervuiling van het medium de degradatie van magnesium versnellen door het verzuren van het elektroliet en het oplossen van corrosieproducten, rijk aan caclium en fosfor, die aanwezig zijn in de degradatielaag.

Elektrochemische methodes, zoals potentiodynamische polarisatie (PDP) laten toe om snel een vergelijking te maken van het degradatieprofiel van verschillende magnesiumlegeringen. Deze test wordt dan ook vaak als eerste gebruikt om de degradatie te karakteriseren. Niettemin is het de vorming van een oppervlaktelaag onder polarisatie tijdens niet-dynamische condities die wordt aanzien een grote invloed te hebben op het resultaat. Het gebruik van een roterende schijfelektrode (RDE) kan een dynamische stroming op gang brengen bij de magnesium werkelektrode die het transport van opgeloste Mg2+-ionen verhoogt en de vorming van een oppervlaktelaag vermindert. Parameters, zoals de rotatiesnelheid en de scansnelheid, zijn geanalyseerd en het bleek dat rotatiesnelheden hoger dan 1500 rpm en scansnelheden boven 5 mV/s toelaten om meer reproduceerbare data te verkrijgen zonder de vorming van een degradatielaag. Zodoende kunnen PDP-experimenten met een RDE karakteristieke curves opleveren van het materiaal-elektrolietsysteem en een betere schatting van de initiële degradatiesnelheid.

Oppervlaktebehandelingen zijn goed bestudeerd om de oppervlakteeigenschappen en het degradatiegedrag van magnesiumimplantaten te beïnvloeden. Bepaalde implantaatcoatings kunnen een geneesmiddel bevatten dat helpt bij het bestrijden van ontstekingsreacties of in latere stappen van het genezingsproces. In deze thesis is de eerste stap getoond naar een nieuwe manier om bioafbreekbare geneesmiddelen toe te dienen. Dit systeem bestaat uit zogenaamde Metaal-Organische structuren (MOFs). MOFs zijn veelbelovende materialen om medicijnen in nanovorm te vervoeren omwillen van hun nanoporeuze structuur. In de literatuur zijn ze aanzien als biocompatibel. Magnesium kan de rol van metaal aannemen in MOFs, wat leidt tot een Mg-MOF. Momenteel worden Mg-MOFs hydrothermaal geproduceerd. In deze thesis zijn Mg-MOFs aangemaakt door middel van elektrosynthese op een magnesium substraat wat zorgt voor de capaciteit om geneesmiddelen te transporteren.

Datum:3 sep 2012 →  2 dec 2016
Trefwoorden:Polarization testing, Immersion testing, Magnesium alloys, Metal organic frameworks, Degradation
Disciplines:Keramische en glasmaterialen, Materialenwetenschappen en -techniek, Halfgeleidermaterialen, Andere materiaaltechnologie
Project type:PhD project