J7-70256 ReBone: Nova rešitev za oporo kosti z bioragradljivimi Fe-Mn zlitinami in napredno zasnovo opornikov

Kovine so zaradi svojih številnih lastnosti primerne tudi za izdelavo opor zlomljenim kostem, ki jih je potrebno med procesom celjenja trdno fiksirati za povrnitev v njihovo prvotno obliko. Ker sedanja generacija kovinskih materialov, ki se uporabljajo za opore pri zlomih kosti, ne omogoča idealne rešitve, se zgodi naslednje — ko se kost zaraste, oporni element, ki je običajno v obliki ploščice ali vijaka, ni več potreben. Če tega opornega elementa z naknadno operacijo ne odstranimo, le-ta ostane v pacientovem telesu in lahko povzroči nelagodje ali celo bolečino. 

Slika 1. Shematski prikaz rekonstrukcije kosti

Naše raziskave zlitin na osnovi Fe in Mn so razkrile, da so ti materiali sposobni združiti nekatere ključne lastnosti. To sta predvsem odlična trdnost, ki bi lahko zagotavljala ustrezno oporo zlomljenim kostem, in biorazgradljivost, kar je njihova izjemna lastnost, saj omogoča, da telo tak material počasi absorbira, ne da bi pri tem povzročal kakršno koli škodo, saj so ravni kovinskih ionov, ki vstopajo v krvni obtok, nizke in se zlahka tolerirajo. Vendar pa je pot od identifikacije obetavnega materiala do potrditve njegove funkcionalnosti v in vivo okolju dolga in ovinkasta. Prvi mejnik pri razvoju izdelave biološko razgradljive zlitine Fe-Mn-C je dodajalnimi tehnologijami e bil uspešen. Nedavne raziskave, vključno z našimi, so pokazale ugodne biološke odzive teh materialov. Kljub temu obstaja potreba po nadaljnji optimizaciji za dosego kontrolirane biološke razgradljivosti.

(a)

(b)

Slika 2.  Lastnosti (a) in pristopi (b) pri razvoju idealnih materialov za kostne nosilce.

Naš inovativen predlog vključuje legiranje Fe z Mg, ki predstavlja izziv z metalurškega vidika. Predpostavljamo, da se ta izziv lahko premaga z uporabo tehnik hitrega strjevanja, kot so selektivno lasersko taljenje/pulzno plazemsko sintranje. Na ta način je možen nastanek nano/mikro faz Mg znotraj Fe-Mn zlitine. Ta specifična struktura ponuja pomembne prednosti za integracijo kostnega tkiva, saj se Mg hitro razgradi, spodbuja zdravljenje kosti, medtem ko preostala porozna struktura Fe-Mn zagotavlja trajno podporo postopni razgradnji. Nasprotno pa zlitina z Zn ne povzroča težav glede topnosti Zn v Fe. Vendar pa, podobno kot Mg, predstavlja izziv v zvezi z nizkim parnim tlakom, zlasti v proizvodnih procesih, kot je selektivno lasersko taljenje, kjer se dosežejo izjemno visoke lokalne temperature. Da bi premagali to oviro, predlagamo inovativen pristop: nadtlak plina v komori med postopkom tiskanja. Po drugi strani moramo material Fe-Mn-C-Mg/Zn dodatno legirati z elementi, kot so Cu, Ag in, hidroksiapatit, da izboljšamo biološki odziv in zadostimo potrebam za podporo zlomljene kosti.

Slika 3.  Vpliv dodatka Mg v zlitino Fe–Mn na postopno razgradnjo materiala.

Premaze (nekateri temelječi na novih plazemskih tehnikah) je treba preučiti za boljšo integracijo podpore v telo in izboljšanje biokompatibilnosti. Končni korak v projektu bo arhitektura trojno periodične minimalne površine v obliki strukture tipa nosilca. To bo znatno povečalo površino in nam tako omogočilo še en način nadzora biološke razgradljivosti. Poroznost bo spodbujala tudi rast kosti in zagotavljala poti za kompleksno mrežo krvnih žil, ki se bodo začele zapirati okoli nosilca.

Slika 4.  Dva različna pristopa k razvoju zlitin Fe–Mn in kostnih nosilcev

Študije in vitro nam bodo dale znanje o biološki razgradljivosti (korozijski testi), biokompatibilnosti (testi citotoksičnosti) in antibakterijskem vedenju (testi rasti bakterij). Raziskati bomo morali širok spekter sestavov zlitin in podpornih struktur, z in brez premazov, da bomo resnično razumeli, kako se bo material obnašal v človeškem telesu.

NRRP-J7-70256