Перевод статьи «Revolutionizing biodegradable metals» из журнала Materials Today

     Федеральное агентство по образованию

     Муниципального  образовательного учреждения

     Высшего профессионального образования

     Тульский  Государственный  Университет 
 
 
 

     Кафедра «Физики металлов и материаловедения» 
 
 
 
 

     Контрольно  курсовая работа

     по  дисциплине «Электронная микроскопия»

     Перевод статьи «Revolutionizing biodegradable metals»

     из журнала Materials Today (октябрь 2009 | выпуск 12 | номер 10)

     авторов Yeoheung Yun, Zhongyun Dong, Namheon Lee, Yijun Liu и др. 
 
 
 
 
 
 
 
 

      

     Выполнил:

     студент группы 430561             А.Н. Шаланина 

     Проверил:            С.А. Головин

     проф. 
 
 
 

     Тула 2010

materialstoday

october 2009 | volume 12 | number 10

                                                                                        Revolutionizing Biodegradable Metals 

Yeoheung Yun¹, Zhongyun Dong², Namheon Lee¹, Yijun Liu¹, Dingchuan Xue³, Xuefei Guo⁴, Julia Kuhlmann⁴, Amos Doepke⁴, H. Brian Halsall⁴, William Heineman⁴, Surya Sundaramurthy¹, Mark J. Schulz¹*, Zhangzhang Yin¹, Vesselin Shanov³, Douglas Hurd¹, Peter Nagy⁵, Weifeng Li¹, and Curtis Fox⁶

¹Mechanical Engineering Department, University of Cincinnati, USA

²Internal Medicine Department, University of Cincinnati, USA

³Chemistry Department, University of Cincinnati, USA

⁴Chemical and Materials Engineering Department, University of Cincinnati, USA

⁵Aerospace Engineering Department, University of Cincinnati, USA

*E-mail: mark.j.schulz@uc.edu 

     Совершенствование биоразлагаемых металлов

     Развитие  биоразлагаемых металлических  имплантатов - это сложная задача, потому что она сочетает в себе инженерные и медицинские требования к материалу. В этой статье рассматривается совершенствование зондирования и методов контроля  коррозии, которые могут помочь в разработке биоразлагаемых металлических имплантатов. 
Биоразлагаемые металлические имплантаты растворяются, после того как новая ткань формируется. Один из наиболее важных факторов при разработке биоразлагаемых имплантатов – это изучение активного интерфейса, который должен отслеживать и контролировать медицинские проблемы биосовместимости. Эти миниатюрные, на основе нанотехнологий датчики, измеряющие активность процесса деградации и формирования ткани, должны использоваться в искусственных и в естественных условиях эксперимента. Эти датчики могут контролировать химические компоненты и активность клеток, могут стать источником новых знаний о биоразлагаемых устройствах и о том, как наиболее полно контролировать интерфейс, чтобы обеспечить лучшую биологическую активность для регенерации новых тканей в течение короткого времени. Разработка новых сплавов, наноматериалов, миниатюрных датчиков, методов контроля над коррозией покрытий, а также вспомогательных разработок, таких как биоразлагаемые капсулы лекарств, как ожидается, откроют новую эру в технике материалов для медицины. 
 
 

     Важность  биоразлагаемых имплантов

     По  показателям маркетинговых исследований в США рынок биомедицинских имплантов  составляет около 27 миллиардов долларов, рынок биосовместимых материалов составляет 11 миллиардов долларов, рынок микроэлектронных медицинских имплантов составляет 12 миллиардов долларов, и эти рынки растут примерно на 9 % в год. Писатели и изобретатели, такие как Роберт Фрейтас, Джастин Раттнер, и Рэй Курцвейл описывают совмещение людей и машин. Планы национальные институтов здоровья и программы национального научного фонда привносят феноменальный прогресс в области биомедицинских исследований. Примеры повышенного внимания к разработке инженерных систем, которые могут взаимодействовать с человеческим телом, обещают улучшить качество жизни и снизить стоимость здравоохранения. Биологически системы, в частности, предлагают большие преимущества в сопутствующих разработках с имплантами, используемых сегодня. Обещают, что новые виды имплантатов на основе биоразлагаемых металлов, такие как магний и железо, могут адаптироваться к человеческому телу, в которое они имплантированы, и, в конечном итоге, растворяться, когда больше не нужны. Это помогло бы пациентам, например детям, страдающим волчьей пастью, с переломами, с угловой деформацией длинных костей или части конечностей, избавиться от боли за несколько процедур, используя импланты, затем удалить его, отремонтировать и заново имплантировать современное поколение устройств, если необходимо.  

           В качестве другого  примера рассмотрим металлические сетки стенты, которые в настоящее время используются миллионами людей для лечения закупорки коронарной артерии или других местах в системе кровообращения. В небольшом проценте случаев стент может вызвать иммунный ответ, что приводит к росту рубцовой ткани и формированию кровяных сгустков.

     Если  закупорка произошла снова, то такие  стенты сложно удалить, и должны быть вставлены новые стенты. Использование биологически стентов может предотвратить эту ситуацию и свести к минимуму число инвазивных процедур. Биоразлагаемые стенты, как и большинство биоразлагаемых имплантов будут иметь свои собственные цели и рынок, как например, в случае молодых пациентов имеющих врожденный порок сердца или взрослых пациентов, склонных к рестенозе.

     В этой статье рассмотрена теоретическая  составляющая, охватывающая широкую область назначения биоразлагаемых материалов, и практическая сторона проблемы. Включены новые технологии производства настраиваемых разлагаемых металлических имплантов, инновационные технологии покрытия для получения специальных функциональных поверхностей, новых материалов и методов разработки нонаустройств для управления имплантами.

     Коррозионный  контроль над имплантами

     Коррозионный  механизм

     Стандартный электродный потенциал магния (Mg) является -2,37 В, в сравнении со стандартным  водородным электродом, который дает стандартный электродный потенциал  равный ноль вольт. Этот стандартный  потенциал так отрицателен, что Mg широко использует анод для котодной защиты металла. Скорость коррозии Mg очень  низка на воздухе, но она возрастает в хлоридных и сульфатных растворах.

     Как показано на Pourbaix (потенциал-рН) диаграмме  на рис. 1, a, коррозией Mg можно управлять путем изменения местного рН или потенциала. Процесс разложения биоразлагаемого Mg-вого импланта – это комплекс. Mg распадается при коррозийной реакции с водой, образуя кристаллическую пленку гидроксида магния и водорода, также частицы Mg способствуют растрескиванию водорода. Рис. 1 (б) показывает схематическую реакцию коррозии Mg. Важнейший продуктами реакции для биологических разработок являются выделения водорода (Н₂), гидроксильных групп (ОН--) и гидроксид магния (Mg(OH)₂).

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       
 
 

     Сравнивая обычные металлы, такие как алюминий и железо, и их сплавы, Mg и магниевые сплавы, имеем необычное поведение коррозии. Например, Сонг и другие предложили другой коррозионный механизм Mg и сплавов назвали (Negative Difference Effect) Негативное Влияние Разницы, который описывает феномен, когда скорость выделения  Н₂ возрастает с повышением анодной поляризацией магния. Кроме типичной эктрохимической коррозии, хорошо известно, что Mg роявляет физическое расслоение частей металла от анодного металла, этот эффект называется (Chunk Effect) Эффект Куска.  Джейн Чен и другие предложили, что гидрид Mg может быть подвержен хрупкому разрушению. Напряжение, вызванное давлением водорода, называется охрупчиванием водорода, происходит по границам зерен и дислокаций и может привести к хрупкому разрушению. Авторы статьи также подтвердили хрупкое поведение чистого Mg в процессе коррозии, как показано на рис. 2а. Проектирование металлических изделий, таких как магниевый винт, представленный на рис. 2б должно включать оценку сопротивляемости детали коррозии и разработке покрытий сплавов которые обеспечивают желаемую скорость коррозии и снижают сопротивляемость во времени.

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       
 
 
 
 

     Типичные  характеристики магниевой коррозии описаны далее. Гидроксид магния называют молоком магнезии или брусита, который обладает низкой растворимостью в воде, может быть сформирован  после физического отрыва от поверхности металла магния. Также, пузырьки водорода начинают расти на местах коррозии. Эта пробелема, потому что водородный газ сложно выбросить в атмосферу (можно испотльзовать иглы), водород является причиной токсического действия на ткань. Во время коррозии 1 мл. Н₂ выделяется на каждый 1 мг. Mg. Другая проблема – это увеличение локальных pH в импланте за счет гидроксильных групп. Высокий рН подавляет пролиферацию клеток и тканеобразование. В статичном растворе pH может увеличиваться до 10. Эти проблемы могут выглядеть серьезней в лабораторных условиях, нежели чем в теле. Что в действительности происходит в естественных условиях в сердечнососудистой системе, может быть смоделировано в пробирке с помощью электролита, имеющего соответствующий хлорид, фосфат, и концентрацию белка, применяя механическое возбуждение, и использования потоко-клеточной среды с конвекцией и диффузией. Увеличение рН на корродирующей поверхности может быть нейтрализовано в амортизирующих растворах и систематические потоки. Но увеличение скорости течения увеличивает и скорость коррозии биоразлагаемых имплантов, а механическое возбуждение создает коррозию под напряжением, пористость, и усталостную коррозию. Таким образом, тщательная оптимизация необходима для проектирования биоразлагаемых имплантов. В качестве примера проектирования магниевых сплавов, использование лития с магнием повышает pH, который стабилизирует пленку гидроксида магния на корродирующей поверхности. Измерения по потере веса после погружения металла в специальный раствор привел к главной идее, касаемо скорости коррозии. Скорость коррозии может быть контролируема путем введения в имплант или покрытие апатит, фосфат, силан или др. Обработка поверхностей, такая как электрлиз, анодизация, обработка ингибиторами, органическая обработка поверхности используются для защиты от коррозии.  

     Коррозионное  возбуждение

     Мультифизическое  программное обеспечение является очень полезным в анализе коррозионного  поведения, потери механических свойств, химических реакций путем диффузии и регенерации тканей. Полученные данные могут совместить внутриклеточные данные и сетевые модели, чтобы предположить биосовместимость имплантов и выявить величину токсичности.  
 
 
 

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       
 
 

     Рис. 3а иллюстрирует коррозионную модель, которая состоит из интерметаллических частиц (IMP), анодного металла Mg и изоляции.  ИМЧ играют роль катода в микро-гальванической магниевой коррозии, которая представлена диском радиуса 20 мкм, окружающий объем материала Mg. В реальном мире эта ситуация представляет собой интерметаллические частицы внедренные в большую магниевую матрицу, их источником могут быть примеси и легирующие элементы в базовом материале. Как показано на рис. 3б, концентрация ионов магния резко возрастает на границе между анодной и катодной областью, в то время как pH в растворе уменьшается. Это показывает, что Mg стремится к быстрой коррозии в растворе кислоты по сравнению с нейтральным или щелочным раствором. Миниатюрные датчики будут использоваться для измерения концентрации химических веществ во времени и пространстве, чтобы проверить результаты моделирования. 

     Датчики коррозии

     Миниатюрный потенциостат для измерения электрохимической  поляризации, поток коррозии и потенциальная  схема могут служить датчиком коррозии.  Рабочий электрод может быть встроен в биоразлагаемый металл, он может измерять ток, измерить потенциал цепи, поверхностное сопротивление и поверхностную емкость. Электрохимические методы могут применяться для измерения конкретных свойств коррозии, таких как скорость коррозии с течением времени, коррозии под напряжением  и коррозионного растрескивания. Кроме того, развитие покрывающих слоев и разрушение покрывающих слоев в биоразлагаемых имплантатах могут быть обнаружены. Датчики коррозии, основанные на оптике, были разработаны для конкретных материалов, таких как слой Ni-P или слой сплава Fe-C. Оптическая сила передачи снижается с утоньшением покрывающего слоя. Оптическая интерферометрия была также использована для измерения коррозии.