I materiali utilizzati in biomedicina devono essere caratterizzati da biodegradabilità controllata, forza sufficiente e totale assenza di tossicità per il corpo umano. La ricerca di tali materiali è, perciò, non un compito semplice. In tale contesto, gli scienziati sono interessati al magnesio da molto tempo. Recentemente, utilizzando tecniche come la spettroscopia di annichilazione di positroni, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che il magnesio sottoposto a trattamento di attrito meccanico superficiale ottiene le proprietà necessarie per un materiale biocompatibile.

I materiali che mostrano un tasso di corrosione controllato stanno guadagnando sempre più interesse. Ciò vale in particolare per la biomedicina, dove vengono utilizzati impianti realizzati con polimeri naturali o sintetici. Il loro vantaggio è che il tasso di decomposizione può essere facilmente regolato in condizioni fisiologiche. D'altra parte, le proprietà meccaniche di questi materiali sono deteriorate nell'ambiente del corpo umano, rendendoli inadatti per applicazioni ad alto stress. Per questa ragione, gli impianti metallici a base di magnesio, del tutto innocui per il corpo umano, sembrano essere una buona opzione.

Il magnesio è il metallo più leggero che può essere utilizzato nelle applicazioni strutturali. Grazie alla sua meccanica, proprietà termiche ed elettriche nonché biodegradabilità e velocità controllata di corrosione, suscita grande interesse nei ricercatori che si occupano di impianti biocompatibili. Nonostante questi vantaggi, l'uso del magnesio come biomateriale per la produzione di impianti non è stato facile a causa del tasso di corrosione relativamente elevato nell'ambiente del corpo umano. Però, questo problema può essere superato utilizzando opportuni rivestimenti.

In tanti anni di ricerca, è stato notato che la microstruttura a grana fine dei materiali non solo migliora le loro proprietà meccaniche, ma può anche aumentare significativamente la resistenza alla corrosione. Ecco perché un team di ricerca internazionale guidato dalla prof.ssa Ewa Dryzek dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze di Cracovia ha fissato l'obiettivo di quantificare l'impatto del trattamento di attrito meccanico superficiale (SMAT) del magnesio di qualità commerciale sul suo resistenza alla corrosione. In questo metodo, un gran numero di sfere in acciaio inossidabile di pochi millimetri di diametro colpiscono la superficie del materiale bersaglio, provocando la deformazione plastica dello strato superficiale. La deformazione plastica è accompagnata dalla produzione di un gran numero di difetti del reticolo cristallino.

Tipiche tecniche di ricerca come la microscopia ottica ed elettronica, Diffrazione di raggi X (XRD), diffrazione a retrodiffusione di elettroni (EBSD), e misure di microdurezza sono state utilizzate per descrivere la microstruttura.

"L'esame microscopico ha rivelato una microstruttura che cambia gradualmente dello strato superficiale del materiale, formato durante l'elaborazione SMAT. Abbiamo osservato un notevole affinamento della grana vicino alla superficie trattata. I gemelli di deformazione erano visibili più in profondità, la cui densità diminuiva con l'aumentare della distanza da questa superficie, " spiega il prof. Dryzek.

Come parte di questo lavoro, La spettroscopia di annichilazione di positroni (PAS) è stata utilizzata per la prima volta. La tecnica è non distruttiva e consente l'identificazione di difetti reticolari a livello atomico. Consiste nel fatto che quando i positroni vengono impiantati in un campione di materiale e incontrano le loro antiparticelle, cioè elettroni, si annichilano e si trasformano in fotoni che possono essere registrati. Un positrone che trova sulla sua strada un difetto di volume aperto nel reticolo cristallino può essere intrappolato in esso. Questo estende il tempo fino a quando non si annienta. La misurazione della durata dei positroni fornisce ai ricercatori un'immagine della struttura del campione a livello atomico.

Lo scopo di utilizzare questo metodo era, in particolare, ottenere informazioni sulla distribuzione dei difetti del reticolo cristallino nello strato superficiale derivanti dal trattamento SMAT. Anche, è stato impiegato per studiare uno strato di materiale con uno spessore di pochi micrometri, che giace appena sotto la superficie trattata, e per collegare le informazioni ottenute con le proprietà di corrosione. Questo è importante perché i difetti del reticolo determinano le proprietà chiave dei materiali quando vengono utilizzati, Per esempio, nella metallurgia o nella tecnologia dei semiconduttori.

"La vita media dei positroni nello strato di 200 micrometri ottenuto dal trattamento SMAT di 120 secondi mostra un valore costante elevato di 244 picosecondi. Ciò significa che tutti i positroni emessi dalla sorgente che raggiungono questo strato si annichilano in difetti di struttura, cioè atomi mancanti nei siti del reticolo cristallino chiamati posti vacanti, che in questo caso sono associati a dislocazioni. Questo strato corrisponde a un'area fortemente deformata con grani fini. Più profondo, la vita media dei positroni diminuisce, che indica una concentrazione decrescente di difetti, raggiungendo ad una distanza di circa 1 millimetro dalla superficie il valore caratteristico del magnesio ben ricotto con una densità relativamente bassa di difetti strutturali, che era il nostro materiale di riferimento, "Il dottorando Konrad Skowron, l'autore principale dell'articolo e l'autore degli studi, descrive i dettagli dell'opera.

Il processo SMAT ha influenzato in modo significativo il comportamento dei campioni di magnesio durante i test di corrosione elettrochimica. I cambiamenti strutturali causati da SMAT hanno aumentato la suscettibilità del magnesio all'ossidazione anodica, intensificando la formazione di un film di idrossido sulla superficie e portando di conseguenza a una migliore resistenza alla corrosione. Ciò è confermato dai risultati ottenuti con l'uso di un fascio di positroni presso il Joint Institute for Nuclear Research di Dubna, Russia. I risultati mostrano che oltre ai bordi di grano e sottograno presenti sulla superficie, anche altri difetti del cristallo come dislocazioni e vacanze possono svolgere un ruolo essenziale nel comportamento corrosivo del magnesio.

"Stiamo attualmente conducendo uno studio simile per il titanio. Il titanio è un metallo ampiamente utilizzato nel settore aerospaziale, settore automobilistico, industrie energetiche e chimiche. Viene anche applicato come materiale per la produzione di dispositivi e impianti biomedici. Un metodo economicamente accettabile che consenta di ottenere titanio puro con una microstruttura a gradiente con grani nanometrici in strati adiacenti alla superficie può aprire prospettive più ampie per l'utilizzo del titanio in prodotti importanti per l'economia globale e per migliorare il comfort della vita umana, "dice il prof. Dryzek.