Os pesquisadores da ETH conseguiram monitorar recentemente a corrosão de ligas de magnésio bioreabsorvíveis em nanoescala em uma escala de tempo de alguns segundos a muitas horas. Este é um passo importante para prever com precisão a rapidez com que os implantes são reabsorvidos pelo corpo para permitir o desenvolvimento de materiais personalizados para aplicações de implantes temporários.

O magnésio e suas ligas estão cada vez mais sendo implantados na cirurgia óssea, em particular como implantes de osteossíntese, como parafusos ou placas, e como stents cardiovasculares para expandir os vasos sanguíneos coronários estreitados.

Este metal leve tem a grande vantagem de ser bioabsorvível - em contraste com o comportamento de materiais de implantes convencionais, como aço inoxidável, titânio ou polímeros. Isso torna desnecessária uma segunda cirurgia para remover um implante do corpo. Além disso, é atraente o fato de que o magnésio promove o crescimento ósseo e, portanto, apóia ativamente a cura de fraturas.

Magnésio puro como tal, Contudo, é muito mole para implantação em aplicações cirúrgicas, e elementos de liga devem ser adicionados para fortalecê-la. Geralmente são elementos de terras raras, como ítrio ou neodímio. Contudo, esses elementos são estranhos ao corpo humano e podem se acumular nos órgãos durante a degradação do implante, com consequências até agora desconhecidas. Eles são, portanto, particularmente inadequados para aplicações em cirurgia pediátrica.

Implementando uma nova família de ligas

Pesquisadores do Laboratório de Física e Tecnologia dos Metais da ETH Zurich, liderado pelo Professor Jörg F. Löffler, desenvolveram, portanto, uma nova família de ligas que, além do magnésio, contêm apenas os elementos de liga zinco e cálcio, intencionalmente em conteúdos de menos de 1 por cento.

O zinco e o cálcio são, assim como o magnésio, também biocompatíveis e podem ser reabsorvidos pelo corpo humano. Após processamento específico, as novas ligas formam precipitados de vários tamanhos e densidades, que são compostos por todos os três elementos. Esses precipitados, que têm apenas algumas dezenas de nanômetros de tamanho, são essenciais para melhorar as propriedades mecânicas e podem influenciar a taxa de degradação.

Apesar desses resultados promissores, um fator importante ainda impede a ampla implantação dessas ligas de magnésio biocompatíveis em aplicações cirúrgicas:muito pouco se sabe sobre os mecanismos pelos quais esses materiais se degradam no corpo sob as chamadas condições fisiológicas, e previsões viáveis ​​de quanto tempo tal implante permanecerá no corpo humano têm sido impossíveis.

Monitorando mudanças na escala nano

Usando microscopia eletrônica de transmissão analítica (TEM), Jörg Löffler e seus colegas Martina Cihova e Robin Schäublin agora conseguiram monitorar em detalhes as mudanças estruturais e químicas em ligas de magnésio sob condições fisiológicas simuladas em escalas de tempo de alguns segundos a muitas horas, com resoluções até agora não alcançadas de alguns nanômetros. Eles publicaram recentemente seus resultados em Materiais avançados .

Com a ajuda da moderna tecnologia TEM, fornecido pelo centro de competência da ETH "ScopeM, "os pesquisadores foram capazes de documentar um mecanismo de desalendimento até agora não observado que governa significativamente a dissolução dos precipitados na matriz de magnésio. Eles observaram - praticamente em tempo real - como os íons de cálcio e magnésio se dissolvem dos precipitados, uma vez em contato com o fluido corporal simulado, enquanto os íons de zinco permanecem estáveis ​​e se acumulam. A mudança contínua resultante na composição química dos precipitados, denominado "desalojar, "gera uma mudança dinâmica em sua atividade eletroquímica e acelera a degradação da liga de magnésio em geral.

"Esta descoberta derruba um dogma prevalecente, que assumiu que a composição química dos precipitados em ligas de magnésio permanece inalterada, ", diz Löffler. Essa suposição anterior levou a muitas previsões falsas sobre os tempos de degradação." O mecanismo que relatamos parece ser universalmente válido, e esperamos que ocorra em outras ligas de magnésio e outros materiais ativos que contêm precipitados intermetálicos, "acrescenta Martina Cihova, aluno de doutorado de Jörg Löffler e primeiro autor do estudo.

Graças aos novos insights descritos acima, agora é possível projetar ligas de magnésio de modo que sua taxa de degradação no corpo possa ser melhor prevista e controlada com mais precisão. Este é um avanço essencial, considerando que os implantes de magnésio podem degradar muito mais rápido em crianças do que em adultos, e que a degradação dos stents precisa ser significativamente mais lenta do que a das placas ou parafusos ósseos. "Ao reunir conhecimento detalhado dos mecanismos de corrosão atuantes, demos um passo importante para adaptar as ligas de magnésio a diferentes pacientes e aplicações médicas, "comenta Cihova. Para fortalecer ainda mais a compreensão dos mecanismos de corrosão, sua pesquisa de pós-doutorado agora se concentrará em análises de microscopia eletrônica de implantes de magnésio in vivo.