Alliages de magnésium, le zinc et le calcium conviennent au déploiement en tant qu'implants biorésorbables pour réparer les os cassés. Crédit :ETH Zurich
Les chercheurs de l'ETH ont récemment pu surveiller la corrosion des alliages de magnésium biorésorbables à l'échelle nanométrique sur une échelle de temps de quelques secondes à plusieurs heures. Il s'agit d'une étape importante pour prédire avec précision à quelle vitesse les implants sont résorbés par le corps afin de permettre le développement de matériaux sur mesure pour les applications d'implants temporaires.
Le magnésium et ses alliages sont de plus en plus déployés en chirurgie osseuse, notamment comme implants d'ostéosynthèse tels que vis ou plaques, et comme stents cardiovasculaires pour dilater les vaisseaux sanguins coronaires rétrécis.
Ce métal léger a le grand avantage d'être biorésorbable, contrairement au comportement des matériaux implantaires conventionnels tels que l'acier inoxydable, titane ou polymères. Cela rend inutile une deuxième intervention chirurgicale pour retirer un implant du corps. De plus, le magnésium favorise la croissance osseuse et soutient donc activement la guérison des fractures.
Magnésium pur en tant que tel, cependant, est trop mou pour le déploiement dans des applications chirurgicales, et des éléments d'alliage doivent être ajoutés pour le renforcer. Il s'agit généralement d'éléments de terres rares comme l'yttrium ou le néodyme. Cependant, ces éléments sont étrangers au corps humain et peuvent s'accumuler dans les organes lors de la dégradation des implants, avec des conséquences jusqu'ici inconnues. Ils sont donc particulièrement inadéquats pour des applications en chirurgie pédiatrique.
Implémentation d'une nouvelle famille d'alliages
Chercheurs du Laboratoire de physique et technologie des métaux de l'ETH Zurich, dirigé par le professeur Jörg F. Löffler, ont donc développé une nouvelle famille d'alliages qui, outre le magnésium, ne contiennent que les éléments d'alliage zinc et calcium, intentionnellement dans des contenus inférieurs à 1 pour cent.
Utilisant des technologies de pointe, Les chercheurs de l'ETH ont pu observer un mécanisme de désalliage jusqu'alors non documenté pour les alliages de magnésium. Crédit :Laboratoire de physique et technologie des métaux / ETH Zurich
Le zinc et le calcium sont tout comme le magnésium également biocompatibles et peuvent être résorbés par le corps humain. Lors d'un traitement spécifique, les nouveaux alliages forment des précipités de taille et de densité variables, qui sont composés des trois éléments. Ces précipités, qui ne mesurent que quelques dizaines de nanomètres, sont essentiels pour améliorer les propriétés mécaniques et peuvent influencer le taux de dégradation.
Malgré ces résultats prometteurs, un facteur important freine encore un large déploiement de ces alliages de magnésium biocompatibles dans des applications chirurgicales :on connaît trop peu les mécanismes par lesquels ces matériaux se dégradent dans l'organisme dans des conditions dites physiologiques, et les prédictions viables de combien de temps un tel implant restera dans le corps humain ont donc été impossibles.
Suivi des changements à l'échelle nano
En utilisant la microscopie électronique à transmission analytique (MET), Jörg Löffler et ses collègues Martina Cihova et Robin Schäublin ont maintenant réussi à surveiller en détail les changements structurels et chimiques des alliages de magnésium dans des conditions physiologiques simulées sur des échelles de temps de quelques secondes à plusieurs heures, avec des résolutions encore jamais atteintes de quelques nanomètres. Ils ont récemment publié leurs résultats dans Matériaux avancés .
Avec l'aide de la technologie TEM moderne, fourni par le centre de compétence de l'ETH "ScopeM, " les chercheurs ont pu documenter un mécanisme de désengagement jusqu'à présent inobservé qui régit de manière significative la dissolution des précipités dans la matrice de magnésium. Ils ont observé, pratiquement en temps réel, comment les ions calcium et magnésium se dissolvent des précipités une fois en contact avec un fluide corporel simulé, tandis que les ions zinc restent stables et s'accumulent. Le changement continu qui en résulte dans la composition chimique des précipités, appelé « deloying », " génère un changement dynamique de leur activité électrochimique et accélère la dégradation globale de l'alliage de magnésium.
« Ce constat renverse un dogme dominant, qui supposait que la composition chimique des précipités dans les alliages de magnésium reste inchangée, " dit Löffler. Cette hypothèse précédente avait conduit à des prédictions pour la plupart fausses concernant les temps de dégradation. " Le mécanisme que nous rapportons semble être universellement valable, et nous nous attendons à ce qu'il se produise à la fois dans d'autres alliages de magnésium et d'autres matériaux actifs qui contiennent des précipités intermétalliques, " ajoute Martina Cihova, doctorant de Jörg Löffler et premier auteur de l'étude.
Grâce aux nouvelles connaissances décrites ci-dessus, il est désormais possible de concevoir des alliages de magnésium de telle sorte que leur taux de dégradation dans le corps puisse être mieux prédit et mieux contrôlé. Il s'agit d'une avancée essentielle étant donné que les implants en magnésium peuvent se dégrader beaucoup plus rapidement chez les enfants que chez les adultes, et que la dégradation des stents doit être significativement plus lente que celle des plaques osseuses ou des vis. « En rassemblant une connaissance détaillée des mécanismes de corrosion en jeu, nous avons franchi une étape clé vers l'adaptation des alliages de magnésium à différents patients et applications médicales, " commente Cihova. Pour mieux comprendre les mécanismes de corrosion, sa recherche postdoctorale portera désormais sur les analyses en microscopie électronique d'implants en magnésium in vivo.
