Los investigadores de ETH han podido monitorear recientemente la corrosión de las aleaciones de magnesio bioreabsorbibles a nanoescala en una escala de tiempo de unos pocos segundos a muchas horas. Este es un paso importante para predecir con precisión la rapidez con la que el cuerpo reabsorbe los implantes para permitir el desarrollo de materiales personalizados para aplicaciones de implantes temporales.

El magnesio y sus aleaciones se utilizan cada vez más en cirugía ósea, en particular como implantes de osteosíntesis como tornillos o placas, y como stents cardiovasculares para expandir vasos sanguíneos coronarios estrechos.

Este metal ligero tiene la gran ventaja de ser biorreabsorbible, en contraste con el comportamiento de los materiales de implantes convencionales, como el acero inoxidable, titanio o polímeros. Esto hace que sea innecesaria una segunda cirugía para extraer un implante del cuerpo. Además, es atractivo el hecho de que el magnesio promueve el crecimiento óseo y, por lo tanto, apoya activamente la curación de fracturas.

Magnesio puro como tal, sin embargo, es demasiado suave para su implementación en aplicaciones quirúrgicas, y se deben agregar elementos de aleación para fortalecerlo. Por lo general, se trata de elementos de tierras raras como el itrio o el neodimio. Sin embargo, Estos elementos son extraños para el cuerpo humano y pueden acumularse en los órganos durante la degradación del implante. con consecuencias hasta ahora desconocidas. Por tanto, son particularmente inadecuados para aplicaciones en cirugía pediátrica.

Implementando una nueva familia de aleaciones

Investigadores del Laboratorio de Física y Tecnología de los Metales de ETH Zurich, dirigido por el profesor Jörg F. Löffler, Por lo tanto, han desarrollado una nueva familia de aleaciones que, además de magnesio, contienen solo los elementos de aleación zinc y calcio, intencionalmente en contenidos de menos del 1 por ciento.

El zinc y el calcio son como el magnesio, también biocompatibles y pueden ser reabsorbidos por el cuerpo humano. Tras un procesamiento específico, las nuevas aleaciones forman precipitados de diferente tamaño y densidad, que se componen de los tres elementos. Estos precipitados, que tienen solo unas pocas decenas de nanómetros de tamaño, son esenciales para mejorar las propiedades mecánicas y pueden influir en la tasa de degradación.

A pesar de estos resultados prometedores, un factor importante todavía obstaculiza el amplio despliegue de estas aleaciones de magnesio biocompatibles en aplicaciones quirúrgicas:se sabe muy poco sobre los mecanismos a través de los cuales estos materiales se degradan en el cuerpo en las llamadas condiciones fisiológicas, y las predicciones viables de cuánto tiempo permanecerá un implante de este tipo en el cuerpo humano han sido, por tanto, imposibles.

Monitoreo de cambios a nanoescala

Utilizando microscopía electrónica de transmisión analítica (TEM), Jörg Löffler y sus colegas Martina Cihova y Robin Schäublin ahora han logrado monitorear en detalle los cambios estructurales y químicos en las aleaciones de magnesio en condiciones fisiológicas simuladas en escalas de tiempo de unos pocos segundos a muchas horas. con resoluciones hasta ahora no alcanzadas de unos pocos nanómetros. Recientemente publicaron sus resultados en Materiales avanzados .

Con la ayuda de la tecnología TEM moderna, proporcionado por el centro de competencia de ETH "ScopeM, "Los investigadores pudieron documentar un mecanismo de liberación no observado hasta ahora que gobierna significativamente la disolución de los precipitados en la matriz de magnesio. Observaron, prácticamente en tiempo real, cómo los iones de calcio y magnesio se disuelven de los precipitados una vez que entran en contacto con el fluido corporal simulado, mientras que los iones de zinc permanecen estables y se acumulan. El cambio continuo resultante en la composición química de los precipitados, denominado "desarticulación, "genera un cambio dinámico en su actividad electroquímica y acelera la degradación de la aleación de magnesio en general.

"Este hallazgo anula un dogma imperante, que asumió que la composición química de los precipitados en las aleaciones de magnesio permanece sin cambios, ", dice Löffler. Esa suposición anterior había dado lugar a predicciones en su mayoría falsas con respecto a los tiempos de degradación". El mecanismo que informamos parece ser universalmente válido, y esperamos que ocurra tanto en otras aleaciones de magnesio como en otros materiales activos que contienen precipitados intermetálicos, "añade Martina Cihova, estudiante de doctorado de Jörg Löffler y primer autor del estudio.

Gracias a los nuevos conocimientos descritos anteriormente, Ahora es posible diseñar aleaciones de magnesio de modo que su tasa de degradación en el cuerpo pueda predecirse mejor y controlarse con mayor precisión. Este es un avance esencial considerando que los implantes de magnesio pueden degradarse mucho más rápido en los niños que en los adultos. y que la degradación de los stents debe ser significativamente más lenta que la de las placas o tornillos para huesos. "Al reunir un conocimiento detallado de los mecanismos de corrosión que actúan, hemos dado un paso clave para adaptar las aleaciones de magnesio a diferentes pacientes y aplicaciones médicas, ", comenta Cihova. Para fortalecer aún más la comprensión de los mecanismos de corrosión, su investigación postdoctoral ahora se centrará en análisis de microscopía electrónica de implantes de magnesio in vivo.