Brechen Knochen, brauchen Chirurgen Schrauben und
Metallplatten, um die Bruchstücke zu fixieren. Die Metallteile bestehen meist
aus rostfreiem Stahl oder Titan und müssen, sobald die Knochen verheilt sind,
mit einer weiteren Operation aus dem Körper entfernt werden. Um die Belastung
für Patienten zu vermindern, haben sich Materialforscher zum Ziel gesetzt,
Implantate aus bioresorbierbarem Metall herzustellen. Diese sollen Knochen nur
so lange stabilisieren, bis sie verheilen. Das Metall löst sich im Körper im
Lauf der Zeit auf und muss nicht mehr operativ entfernt werden.
Für die Wissenschaftler besonders vielversprechend sind
Implantate aus Magnesiumlegierungen. Dieses Leichtmetall ist mechanisch stabil
und zäh, baut sich aber im Körper rasch und vollständig ab. Überdies sind die
beim Abbau entstehenden Ionen körperverträglich. Ein schwerwiegender Nachteil
haben aber alle Magnesium-Legierungen: Bei deren Abbau bildet sich Wasserstoff
(H2). Es entstehen Gasblasen, die das Knochenwachstum und damit die Heilung
behindern und zudem zu Entzündungen führen können.
Mit metallischem Glas zum Erfolg
Diese Nebenwirkungen beseitigt haben nun aber
ETH-Materialforscher aus dem Labor von Jörg Löffler, Professor für Metallphysik
und -technologie. Es gelang ihnen, eine neuartige
Magnesium-Zink-Kalzium-Legierung als metallisches Glas herzustellen, welches
körperverträglich ist und ein stark verändertes Abbauverhalten zeigt.
Metallische Gläser werden durch schnelles Abkühlen aus der
Schmelze hergestellt. Dadurch können sich die Atome nicht in einer
Gitterstruktur anordnen wie bei konventionellem Metall. Metallische Gläser
besitzen demnach eine amorphe Struktur wie Fensterglas. Dank diesem Verfahren
können die Forscher der Magnesiumschmelze viel mehr Zink beimengen als in herkömmlichen
Legierungen. Die von Löfflers Doktorand Bruno Zberg entwickelte Legierung
enthält bis zu 35 Prozent Zink- und 5 Prozent Kalzium-Atome, der Rest entfällt
auf Magnesium. Eine kristalline Magnesium-Zink-Legierung kann höchstens 2,4
Prozent Zink-Atome enthalten. Ist deren Anteil höher, bildet sich innerhalb des
Magnesiums eine unerwünschte, kristalline Phase aus.
Veränderte Korrosion durch viel Zink
Der grosse Vorteil des hohen Zinkgehalts: Er verändert die
Korrosion des Magnesiums. Klinische Tests mit kleinen Plättchen aus der
neuartigen Magnesium-Zink-Kalzium-Legierung zeigten keine
Wasserstoffentwicklung.
Die neuartige Legierung in Form eines metallischen Glases
hat deshalb grosses Potenzial als körperverträgliches Knochenimplantat. Davon
überzeugt sind nicht nur Bruno Zberg, Peter Uggowitzer und Jörg Löffler, die
gemeinsam an dem Projekt gearbeitet haben, sondern auch Nature Materials, in
deren Online-Ausgabe die entsprechende wissenschaftliche Publikation am
vergangenen Sonntag erschien.
Heisses Thema in der Materialwissenschaft
Metallisches Glas ist in der Materialwissenschaft ein
heisses Thema. Erst Anfang der 90er Jahre habe man entdeckt, dass sie auch in
grösseren Dimensionen hergestellt und somit in Form von «Massivgläsern» als
Ingenieur-Werkstoff verwendet werden können, sagt Löffler. Seither wird in
vielen Labors intensiv nach deren Anwendungen gesucht. Gegenüber herkömmlichen
Metallen haben sie gleich mehrere Vorteile: Sie sind erheblich elastischer als
kristalline Materialien und zeigen eine zwei bis dreimal höhere Festigkeit.
Diese Eigenschaften würden sich auch bei Knochenimplantaten bezahlt machen, da
die Metallteile kleiner sein könnten als bei herkömmlichen kristallinen
Legierungen und trotzdem die gleiche Funktion bieten.
Metallische Gläser haben allerdings auch Nachteile. Sie
lassen sich weniger stark plastisch verformen als normale Metalle. Zudem dürfen
die einzelnen Bauteile je nach Zusammensetzung der Legierung oft nur einige
Millimeter bis Zentimeter dick sein, weil sie sonst nicht schnell genug
abkühlen können und eine Kristallstruktur bilden. Der Anwendungsbereich von
metallischen Gläsern wird daher meist im Bereich filigraner Bauteile, zum
Beispiel im Bereich der Sensorik und Mikrotechnik, liegen. Die von Zberg
entwickelte Magnesium-Zink-Kalzium-Legierung kann bis zu einer Dicke von 5
Millimetern hergestellt werden. Ihre Verwendung als Knochenimplantat würde –
wie Nature Materials schreibt – den Einsatzbereich des ungewöhnlichen Materials
weiter aufweiten.
Literaturhinweis
Zberg B, Uggowitzer PJ & Löffler JF. MgZnCa glasses
without clinically observable hydrogen evolution for biodegradable implants. Nature
Materials. Published online 27 September 2009, doi:
10.1038/nmat2542
