Mechanical and elemental changes at the bone-implant interface in response to a low-alloyed biodegradable magnesium implant in a growing rat model

Abstract

In den letzten Jahren hat die Nachfrage nach der Entwicklung neuer, biologisch abbaubarer Implantate im Bereich der Orthopädie und der Traumaversorgung stetig zugenommen,um die mit herkömmlichen Materialien verbundenen Nachteile zu überwinden. Magnesium(Mg)-Basis-legierungen sind vielversprechende Kandidaten, um die komplexen Anforderungen an ein biokompatibles, homogen abbaubares, tragfähiges und funktionell unterstützendes Implantat zu gewährleisten. Aufgrund vollständiger Degradation dieser Materialien kann eine zusätzliche Operation zur Entfernung des Implantates vermieden werden.Ziel dieser Arbeit ist es, die nanostrukturellen Änderungen des Knochens auf ein sich langsam abbauendes Implantat aus Mg-0.45Zn-0.45Ca, in wt% (ZX00), im Kleintiermodell über einen Zeitraum von 52 Wochen zu charakterisieren. Besonderes Augenmerk wird auf den Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften und die chemische Zusammensetzung an der Grenzfläche zwischen Knochen und Implantat über die Zeit und den damit resultierenden Einsatzmöglichkeiten im Hinblick auf eine zukünftige Verwendung von Mg-basierten Implantaten gelegt. Hierzu wurden Nanoindentierungen durchgeführt, um den Einfluss des Abbaus des Implantates auf die mechanischen Eigenschaften des Knochens, insbesondere auf E-Modul und Härte, beurteilen zu können. Zusätzlich erfolgten energiedispersive röntgenspektroskopische (EDX) Messungen, um die Auswirkungen des sich abbauenden Implantats auf die chemische Zusammensetzung zu bewerten.

Over the last decade, the demand for developing new, alternative, and biodegradable implant materials in orthopedics and trauma care has become increasingly important to overcome the disadvantages associated with conventional materials. Recently, magnesium(Mg)-based alloys have attracted significant attention as superior alternative materials and are promising candidates to ensure the complex requirements of a biocompatible,homogenously degradable, load-bearing, and functionally supportive implant. These implants completely degrade, eliminating the need for additional removal surgery.The thesis focuses on characterizing the bone’s nanostructural response toward a homogenously degrading Mg-0.45Zn-0.45Ca implant, in wt% (referred to as ZX00 alloy), in a small animal model over a period of 52 weeks. Special attention is paid to the changes in mechanical properties and chemical composition over time at the bone-implant interface,which are crucial factors for the future application of Mg-based implants. For this purpose, nanoindentation experiments were performed to assess the influence of implant degradation on the mechanical properties of the bone, particularly its stiffness and hardness.Furthermore, energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) measurements were used to evaluate the effects of the degrading implant on the chemical composition.