In dieser Arbeit wurde das Degradationsverhalten von mehreren biokorrodierenden Mg-Legierungen untersucht, um potenziell geeignete Materialien für Implantate auszuwählen. Die Fachtermini Biokorrosion und Biodegradation werden im Folgenden synonym für den Abbauprozess Korrosion in physiologischer Umgebung verwendet. Zu Schrauben, Platten oder Stent Grafts verarbeitet, sollen sie im Knochengewebe oder Weichteilgewebe eingesetzt werden und eine Folgeoperation zu ihrer Entfernung überflüssig machen, da sie sich während der Heilung des Gewebes auflösen. Um diesem innovativen Anspruch gerecht zu werden, müssen folgende Kriterien erfüllt werden: (i) Biokompatibilität (gute Verträglichkeit mit dem umliegenden Gewebe), (ii) angepasste mechanische Eigenschaften und (iii) eine an den Heilungsprozess angepasste langsame Degradationsrate. So soll das Implantat im Körper zunächst langsam degradieren, um das heilende Gewebe gut unterstützen zu können. Ist der Heilungsprozess fortgeschritten, kann sich das Implantat bis zum vollständigen Verschwinden schneller auflösen da immer mehr Last vom Gewebe übernommen werden kann. Damit der Körper keine Abwehrreaktionen gegenüber den Korrosionsprodukten zeigt, darf ihre Konzentration zu keinem Zeitpunkt die Aufnahmekapazität des jeweiligen Gewebes überschreiten. All diese Kriterien gleichzeitig zu erfüllen, stellt einen Zielkonflikt dar: Einerseits ist reines Magnesium ein biokompatibles, langsam korrodierendes Material, besitzt jedoch zu geringe Festigkeit für lasttragende Anwendungen. Durch Zugabe von Legierungselementen können die mechanischen Eigenschaften von Mg verbessert werden. Bei der Auswahl dieser Legierungselemente ist jedoch darauf zu achten, dass diese biokompatibel sein müssen und die Korrosion möglichst wenig beschleunigen sollen. In dieser Arbeit wurden zwei Testmethoden aufgebaut und eingesetzt um das Verhalten der langsam degradierenden Mg-Legierungen WE43, die Seltene Erden (RE) enthält, mit selbst entwickelten Mg-Legierungen zu vergleichen. Sie haben den Vorteil, keine für lebende Systeme vermutlich toxisch wirkenden Elemente zu enthalten, sondern nur die Elemente Zn, Yb, Zr, Ca und Mn in unterschiedlichen Kombinationen und Konzentrationen. Mit elektrochemischen Messungen und der Wasserstoffentwicklungsmethode wurde die Korrosionsrate bestimmt, um so mögliche Implantatmaterialien für spätere Tierversuche auszuwählen. Dabei hat sich herausgestellt, dass besonders die Legierung MgZn0.2Ca0.5 eine günstige Kombination aus geringer Degradationsrate und hoher Festigkeit aufweist. Weiters konnten die zahlreichen Experimente tieferes Verständnis für die Einflussfaktoren bei diesen in vitro Testmethoden schaffen. Eine Herausforderung bleibt nach wie vor die genaue Reproduzierbarkeit der Testergebnisse, sowie die korrekte Simulation des in vivo Verhaltens. Jedenfalls bieten die verwendeten Testmethoden folgende Vorteile: (i) schnelle Screening Methoden, (ii) geringe Kosten und (iii) die Vermeidung mancher Tierversuche. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Kombination aus Kurz- und Langzeit- in vitro -Messungen der beste Ansatz für eine korrekte Feststellung der Korrosionseigenschaften ist. Dies wird damit begründet, dass die schützende Oxidschicht, die sich bildende Schicht aus Degradationsprodukten, der pH-Wert, wie auch die mikrogalvanischen Effekte in den unterschiedlichen Mg-Legierungen stark von der Zeit im korrosiven Medium abhängen.
This work investigated the degradation behaviour of several biocorroding Mg alloys to elect potential implant materials for the human body. The terms biocorrosion and biodegradation both refer to the degrading process of corrosion that takes place in a physiological environment. Biodegradable Mg implants are planned to be applied as screws and plates for bone tissue or stent grafts, among others. As innovative feature, they render redundant the surgical removal after they have served their purpose. The most important criteria to fulfil their assignment are (i) biocompatibility (the ability to perform with an appropriate host response), (ii) appropriate mechanical properties, and (iii) a slow degradation rate tailored to the healing process. This means that the implant should degrade slowly enough so that the tissue does not fracture under load at initial stages. As the injury heals, the implant should gradually degrade and transfer increasing load to the tissue until the implant is completely dissolved and the body fully recovered. The concentration of the corrosion by-products should thereby not exceed the limit the body can tolerate. Meeting all these criteria poses a conflict of objectives: on the one hand pure Mg is a biocompatible, slowly corroding material, but is of too low strength. Therefore its host response and corrosion behaviour would be appropriate for the healing tissue, while the mechanical properties are not. The addition of alloy element to Mg yields satisfactory mechanical properties. Unfortunately this strategy reverses the problem, as now most Mg alloys corrode too fast or contain problematic alloying elements. Within this study two in vitro test methods were established to compare the performance of the commercially available WE43, a slowly degrading Mg alloy with rare earths (RE), with our invented Mg alloys. Their advantage is to exclude suspected toxic elements since only Zn, Yb, Zr, Ca and Mn are added in different combinations and amounts. The corrosion rate was detected by electrochemical measurements and hydrogen evolution tests to pre-select an implant material for intended animal studies. Conclusively, MgZn0.2Ca0.5 is the most favourable material, regarding its combination of slow degradation rate and high strength. This work contributes to a better understanding of common techniques to detect the corrosion rate of biocorroding materials. It is still an open challenge to reliably reproduce the test results and simulate in vivo tests. Yet the advantages of (i) a rapid screening method, (ii) lower costs, and (iii) the circumvention of the ethical burdens of extensive animal trials, outweigh these imperfections. In conclusion, this study revealed that a combination of short-term and long-term in vitro measurements are inevitable due to the inconsistent performance of the protective oxide layers, the pH-values and the micro galvanic effects of different Mg alloys during different time frames.
