Materialforschung Neue Studie ebnet Weg für bessere Implantate

Der Körper kann Magnesium und seine Legierungen abbauen, das Leichtmetall eignet sich daher für Schrauben und Platten bei Knochenbrüchen. ETH-Forschende haben diesen Abbau nun genauer untersucht denn je und ebnen damit den Weg für bessere Implantatmaterialien.

Manche Implantate im Körper wie künstliche Gelenke sollen möglichst lange halten, bei anderen wäre es besser, wenn sie sich von selbst auflösen. Nach Knochenbrüchen zum Beispiel, die mit Schrauben und Platten fixiert werden. Bestehen diese aus einem Material, das der Körper abbauen kann, bedarf es keiner weiteren Operation, um die Implantate zu entfernen.

Forschende um Jörg Löffler von der ETH Zürich haben verträgliche, abbaubare Magnesiumlegierungen dafür entwickelt, wie die ETH mitteilte. Deren Abbau haben sie nun genauer untersucht denn je. Davon berichteten sie kürzlich im Fachblatt «Advanced Materials. Das Verständnis des Abbauprozesses ermöglicht auch, Implantatwerkstoffe so herzustellen, dass sie für einen geeigneten Zeitraum stabil bleiben, bevor sie sich auflösen.

Verträgliche Legierungen

Magnesium ist gut geeignet, da dieses Element auch im Körper vorkommt und vom Körper resorbiert werden kann. Es fördert auch das Knochenwachstum. Für sich allein ist das Leichtmetall allerdings zu weich. Stabiler sind Legierungen mit Yttrium und Neodym, wie sie derzeit in der Medizin Verwendung finden. Allerdings sind diese körperfremd und reichern sich in anderen Organen an. Die langfristigen Folgen sind nicht ausreichend verstanden, wie die ETH festhielt.

Die Magnesiumlegierungen des Teams um Löffler enthalten statt Yttrium und Neodym geringe Mengen Zink und Kalzium, also zwei weitere im Körper vorkommende Elemente, die der Organismus resorbieren kann. Allerdings wusste man bisher zu wenig über den Abbau dieser körperverträglichen Legierungen, um sie in der medizinischen Praxis einzusetzen. Vorhersagen, wie lange ein Implantat daraus im Körper verbleibt, waren bislang schwierig.

Mithilfe einer speziellen Mikroskopietechnik (Transmissionseleketronenmikroskopie) haben Löffler, Martina Cihova und Robin Schäublin die Veränderungen dieser Legierungen im Kontakt mit simulierten Körperflüssigkeiten untersucht. Und zwar von wenigen Sekunden bis zu mehreren Stunden in einer bisher nie erreichten Auflösung von wenigen Nanometern. Ein Fokus lag dabei insbesondere auf wenige Dutzend Nanometer grossen Ausscheidungen, die sich je nach Herstellungsverfahren in den Legierungen ausbilden. Sie bestehen aus den drei Legierungselementen und sind für die Stabilität des Materials entscheidend.

Dauer des Abbaus genauer vorhersagen

Die Forschenden konnten bei ihren Untersuchungen einen bisher nie beobachteten «Entlegierungsmechanismus» quasi in Echtzeit dokumentieren: Wie sich Magnesium- und Kalziumionen lösten, Zinkionen jedoch zurückblieben. Die Zusammensetzung der Ausscheidungen ändert sich damit über die Zeit kontinuierlich. Dies hat auch Einfluss auf die Geschwindigkeit, mit der die Legierung abgebaut wird.

Bisher habe die Forschung angenommen, dass die chemische Zusammensetzung der Ausscheidungsphasen in Magnesiumlegierungen während der Korrosion unverändert blieben, erklärte Löffler gemäss der Mitteilung. Diese Annahme führte jedoch zu falschen Voraussagen über die Dauer des Abbaus.

Dank der neuen Erkenntnisse lassen sich Magnesiumlegierungen und ihr Abbauverhalten nun nach Bedarf gestalten. Beispielsweise sollte die Abbaurate für Stents, um verengte Blutgefässe zu weiten, viel langsamer sein als für Knochenschrauben. Auch das Alter der Patienten spielt eine Rolle: Der Körper von Kindern baut Magnesiumimplantate erheblich schneller ab als der von Erwachsenen.

«Mit dem Wissen über das detaillierte Korrosionsverhalten sind wir dem Ziel massgeschneiderter Legierungen für unterschiedliche Patienten und medizinische Anwendungen einen entscheidenden Schritt näher gekommen», liess sich Martina Cihova zitieren.

https://dx.doi.org/10.1002/adma.201903080