Biologicky odbouratelné materiály na bázi hořčíku pro dočasné tělní implantáty

• Název práce v češtině: Biologicky odbouratelné materiály na bázi hořčíku pro dočasné tělní implantáty
• Název v anglickém jazyce: Resorbable magnesium-based biomaterials for temporary implants
• Klíčová slova: biomateriály|hořčík|implantáty|plazmová sintrace|SPS
• Klíčová slova anglicky: biomaterials|magnesium|implants|spark plasma sintering|SPS
• Akademický rok vypsání: 2023/2024
• Typ práce: bakalářská práce
• Ústav: Katedra fyziky materiálů (32-KFM)
• Vedoucí / školitel: doc. Dr. rer. nat. Robert Král, Ph.D.
• Konzultanti: prof. RNDr. Pavel Lukáč, DrSc., dr. h. c.

Zásady pro vypracování

1. Vypracujte literární rešerši o biomateriálech na bázi hořčíku připravovaných různými technologickými postupy.

2. Studujte vliv termomechanického zpracování na vývoj mikrostruktury a elektrochemických vlastností u vybraných materiálů .

3. Diskutujte naměřené výsledky a srovnejte s údaji uvedenými v literatuře.

Seznam odborné literatury

[1] P. Minárik, E. Jablonská, R. Král, J. Lipov, T. Ruml, C. Blawert, B. Hadzima, F. Chmelík, Effect of equal channel angular pressing on in vitro degradation of LAE442 magnesium alloy, Materials Science and Engineering C 73 (2017) 736-742.
[2] S. Virtanen, Biodegradable Mg and Mg alloys: corrosion and biocompatibility, Materials Science and Engineering B 176 (2011) 1600–1608.
[3] B. Heublein, R. Rohde, V. Kasese, M. Niemeyer, W. Hartung, A. Haverich, Biocorrosion of magnesium alloys: a new principle in cardiovascular implant technology, Heart 89 (2003) 651–656.
[4] M.A. Leeflang, J.S. Dzwonczyk, J. Zhou, J. Duszczyk, Long-term biodegradation and associated hydrogen evolution of duplex-structured Mg–Li–Al–(RE) alloys and their mechanical properties, Materials Science and Engineering B 176 (2011) 1741–1745.
[5] P. Minárik, R. Král, M. Janeček, Effect of ECAP processing on corrosion resistance of AE21 and AE42 magnesium alloys, Applied Surface Science 281 (2013) 44-48.

Předběžná náplň práce

Slitiny hořčíku patří mezi nejlehčí strukturní materiály a běžně se využívají v automobilovém a částečně i leteckém průmyslu. Další zajímavou vlastností hořčíku a některých jeho slitin je i biokompatibilita a biodegradabilita, což otevírá možnosti rovněž pro medicínské aplikace jako např. odbouratelné stenty [1-3]. Jako velmi zajímavé se jeví i zatížitelné kostní implantáty a to díky vysoké specifické pevnosti a modulu pružnosti blízkému kostem. Nutnou podmínku pro využitelnost jako biodegradabilní zatížitelné kostní implantáty je vyřešení několika problémů:
- netoxičnost jako podmínka pro biokompatibilitu a biodegradabilitu
- osteokonduktivita
- pevnost a tvárnost jak během výroby tak i po dobu životnosti implantátu
- odolnost vůči korozi zajišťující dostatečně pomalé odbourávání materiálu ve tkáni

Zatímco většina těchto problémů už byla plně či částečně vyřešena, elektrochemické vlastnosti, a z nich vyplývající korozní odolnost, zatím nejsou uspokojivé. Ukazuje se, že kromě vhodného složení je za určitých podmínek možné zvýšit korozní odolnost také zjemněním mikrostruktury materiálu. Tento efekt byl pozorován u určitých hořčíkových materiálů teprve v nedávné době [5,6].

Kromě intezivní plastické deformace použité v [1,5] je možné docílit velmi jemné mikrostruktury také metodou plazmového sintrování (spark plasma sintering, SPS). Plazmové sintrování je poměrně nová metoda přípravy kompaktních materiálů spékáním výchozích prášků. Na rozdíl od klasické práškové metalurgie, kdy k sintrování dochází za relativně dlouhého působení vysokého tlaku a teploty, metoda SPS je založena na rychlém ohřevu průchodem velmi vysokého pulzního elektrického proudu řádu tisíců ampér. Kratší doba působení vysoké teploty na sintrovaný materiál má přitom zásadní vliv na jeho finální vlastnosti.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

The biomedical potential of the magnesium based alloys has been in the focus of researchers during the last years. Magnesium stents and small volume implants have started to be tested in vivo recently e.g. [1–3]. However, for larger implants and particularly for load-bearing implants desired to fix broken bones (pins, screws, etc.) the material is still unsatisfactory due to the rapid corrosion and subsequent loss of mechanical properties and rapid evolution of hydrogen. Significant improvement of the corrosion resistance is therefore required in Mg alloys, constrained at the same time by their biocompatibility and good mechanical properties. From the wide spectrum of investigated alloys, the best results were observed in Mg–Al–RE(–Li) alloys [4], but still the proper corrosion resistance is not achieved yet. The thermomechanical processing of newly designed alloys and particularly the change of the microstructure [1,5] may substantially improve final corrosion properties of the material and broaden the spectrum of their possible application as a biodegradable material in surgery.