I ricercatori dell'ETH sono stati recentemente in grado di monitorare la corrosione delle leghe di magnesio bioriassorbibili su scala nanometrica su una scala temporale che va da pochi secondi a molte ore. Questo è un passo importante verso la previsione accurata della velocità con cui gli impianti vengono riassorbiti dal corpo per consentire lo sviluppo di materiali su misura per applicazioni di impianti temporanei.

Il magnesio e le sue leghe sono sempre più utilizzati nella chirurgia ossea, in particolare come impianti di osteosintesi come viti o placche, e come stent cardiovascolari per espandere i vasi sanguigni coronarici ristretti.

Questo metallo leggero ha il grande vantaggio di essere bioriassorbibile, contrariamente al comportamento dei materiali implantari convenzionali come l'acciaio inossidabile, titanio o polimeri. Ciò rende superfluo un secondo intervento chirurgico per rimuovere un impianto dal corpo. Inoltre interessante è il fatto che il magnesio favorisce la crescita ossea e quindi supporta attivamente la guarigione delle fratture.

Magnesio puro tal quale, però, è troppo morbido per l'impiego in applicazioni chirurgiche, e gli elementi di lega devono essere aggiunti per rafforzarlo. Questi sono generalmente elementi di terre rare come l'ittrio o il neodimio. Però, questi elementi sono estranei al corpo umano e possono accumularsi negli organi durante il degrado dell'impianto, con conseguenze finora sconosciute. Sono quindi particolarmente inadeguati per applicazioni in chirurgia pediatrica.

Implementazione di una nuova famiglia di leghe

Ricercatori del Laboratorio di fisica e tecnologia dei metalli dell'ETH di Zurigo, diretto dal professor Jörg F. Löffler, hanno quindi sviluppato una nuova famiglia di leghe che oltre al magnesio contengono solo gli elementi alliganti zinco e calcio, intenzionalmente in contenuti inferiori all'1 per cento.

Zinco e calcio sono proprio come il magnesio anche biocompatibili e possono essere riassorbiti dal corpo umano. Su specifica elaborazione, le nuove leghe formano precipitati di varia grandezza e densità, che sono composti da tutti e tre gli elementi. Questi precipitati, che misurano solo poche decine di nanometri, sono essenziali per migliorare le proprietà meccaniche e possono influenzare il tasso di degradazione.

Nonostante questi risultati promettenti, un fattore importante ostacola ancora un ampio impiego di queste leghe di magnesio biocompatibili nelle applicazioni chirurgiche:si sa troppo poco sui meccanismi attraverso i quali questi materiali si degradano nel corpo in condizioni cosiddette fisiologiche, e le previsioni praticabili di quanto tempo un tale impianto rimarrà nel corpo umano sono state quindi impossibili.

Monitoraggio dei cambiamenti su scala nanometrica

Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione analitica (TEM), Jörg Löffler e i suoi colleghi Martina Cihova e Robin Schäublin sono ora riusciti a monitorare in dettaglio i cambiamenti strutturali e chimici nelle leghe di magnesio in condizioni fisiologiche simulate su scale temporali da pochi secondi a molte ore, con risoluzioni finora non raggiunte di pochi nanometri. Hanno recentemente pubblicato i loro risultati in Materiale avanzato .

Con l'aiuto della moderna tecnologia TEM, fornito dal centro di competenza dell'ETH "ScopeM, " i ricercatori sono stati in grado di documentare un meccanismo di deallocazione finora inosservato che governa in modo significativo la dissoluzione dei precipitati nella matrice di magnesio. Hanno osservato, praticamente in tempo reale, come gli ioni calcio e magnesio si dissolvono dai precipitati una volta a contatto con il fluido corporeo simulato, mentre gli ioni zinco rimangono stabili e si accumulano. Il conseguente cambiamento in corso nella composizione chimica dei precipitati, chiamato "delegazione, " genera un cambiamento dinamico nella loro attività elettrochimica e accelera la degradazione complessiva della lega di magnesio.

"Questa constatazione ribalta un dogma prevalente, che ipotizzava che la composizione chimica dei precipitati nelle leghe di magnesio rimanesse invariata, " dice Löffler. Quella precedente ipotesi aveva portato a previsioni per lo più false riguardo ai tempi di degrado. "Il meccanismo che riportiamo sembra essere universalmente valido, e ci aspettiamo che accada sia in altre leghe di magnesio che in altri materiali attivi che contengono precipitati intermetallici, " aggiunge Martina Cihova, dottorando di Jörg Löffler e primo autore dello studio.

Grazie ai nuovi approfondimenti sopra descritti, ora è possibile progettare leghe di magnesio in modo tale che il loro tasso di degradazione nel corpo possa essere meglio previsto e controllato in modo più preciso. Questo è un progresso essenziale considerando che gli impianti di magnesio possono degradarsi molto più velocemente nei bambini che negli adulti, e che la degradazione degli stent deve essere significativamente più lenta di quella delle placche ossee o delle viti. "Raccogliendo una conoscenza dettagliata dei meccanismi di corrosione in atto, abbiamo compiuto un passo fondamentale verso la personalizzazione delle leghe di magnesio per diversi pazienti e applicazioni mediche, " commenta Cihova. Per rafforzare ulteriormente la comprensione dei meccanismi di corrosione, la sua ricerca post-dottorato si concentrerà ora sull'analisi al microscopio elettronico di impianti di magnesio in vivo.