Tailored Magnesium-based Alloys for Bone Replacement - Metallic glass-forming composites enabled by additive manufacturing

Malmö University Publications

Simple search

Advanced search -
Research publications Advanced search -
Student theses Statistics

Change search

ExportLink to record

Permanent link

Direct link

https://mau.diva-portal.org/smash/project.jsf?pid=project:8667

BETA

Project

Project type/Form of grant

Project grant

Title [sv]

Skräddarsydda magnesiumbaserade legeringar för benersättning

Title [en]

Tailored Magnesium-based Alloys for Bone Replacement - Metallic glass-forming composites enabled by additive manufacturing

Abstract [sv]

Målet med detta projekt är att ta fram magnesiumbaserade legeringar för additiv tillverkning, dvs 3D-printing, för att kunna reparera stora, komplexa bendefekter. Detta kommer att göras med hjälp av datormodeller i kombination med högupplösta synkrotron- och neutrontekniker för att studera utvecklingen av legeringarnas mikrostruktur under tillverkningsprocessen. Additiv tillverkning kommer att utföras vid Ångströmlaboratoriet på Uppsala Universitet.Ben är det som transplanteras mest efter blod, årligen utförs över 2 miljoner bentransplantationer. För närvarande finns det dock ingen lämplig lösning för stora, komplexa bendefekter. Med det ökande antalet resistenta bakterier finns det ett akut behov av att minska antalet hudgenomträngande implantat då dessa ger en förhöjd risk för infektion. Det finns dessutom ett mer generellt behov av att minska antalet implantat som blir kvar i kroppen, eftersom dessa i sig själva utgör en permanent risk för infektion då bakterier sätter sig på dött material, såsom implantat.Magnesiumbaserade legeringar har visat sig vara de allra mest lovande nedbrytbara legeringarna för användning i kroppen. Dessa kan, till skillnad från nedbrytbara polymerer och keramer, möjliggöra användning i lastbärande tillämpningar, såsom stora bendefekter. Tidiga legeringar har dock inte fungerat i kroppen på grund av för höga nedbrytningshastigheter, vilka kan orsaka negativa biologiska effekter lokalt. Vi har observerat ännu högre nedbrytningshastigheter för additivt tillverkade komponenter på grund av den karaktäristiska mikrostrukturen som fås vid additiv tillverkning. Additiv tillverkning skulle dock möjliggöra patientspecifik implantatproduktion, inklusive tillverkning av komplexa geometrier och är därför av mycket stort intresse. Man skulle till exempel kunna tillverka implantat med olika nedbrytningshastigheter i olika delar av implantatet. Framgångsrika tillverkningsprocesser kan därmed öppna upp för ett oräkneligt antal behandlingsmöjligheter, samtidigt som onödiga operationer för att ta bort icke-funktionella implantat och högriskinfektioner undviks.Vi kommer att utveckla skräddarsydda magnesiumbaserade, additivt tillverkade legeringar för användning som benersättning. Sammansättningar lämpliga för additiv tillverkning, liksom den resulterande skräddarsydda mikrostrukturen, kommer att utvecklas genom nya numeriska modeller som för första gången går hela vägen från en teoretisk sammansättning till att förutsäga den resulterande mikrostrukturen inklusive faser, storlek på och volymandel kristallina, dvs ordnade, delar i mikrostrukturen. Vår hypotes är att med en dominerande del oordnade atomer i materialet kan vi uppnå lägre nedbrytningshastighet och bättre mekaniska egenskaper. De numeriska modellresultaten kommer att användas för att kontrollera tillverkningsprocessen, så att lokal kristallisering genom repeterad laserbestrålning kan uppnås och därmed optimerade nedbrytnings- och mekaniska egenskaper. Metoden förväntas vara allmän - tillämpbar även inom andra områden - och kommer att minska utvecklingstiden för nya legeringar som är mer tillämpliga för additiv tillverkning och generera en ökad möjlighet att skräddarsy mikrostrukturen än den vi har idag. Det slutliga målet är att tillhandahålla skrivbara implantat som själva kan läka stora, komplexa bendefekter.

Abstract [en]

Additive manufacturing (AM), or 3D-printing, has enabled production of complex structures, and in orthopaedics, the provision of patient-specific implants. Here, satisfactory solutions have been found for permanent implant solutions, through e.g. titanium alloys. However, to enable in situ bone recreation, an initially load-bearing but degradable material is needed. Magnesium alloys are one of, if not the, most promising material to this end, but AM of biocompatible Mg alloys is challenging. We have demonstrated the possibility to additively manufacture an alloy previously found suitable for orthopaedic use when produced with a traditional method. However, the AM process gives raise to microstructures that are detrimental to the corrosive properties of the material, crucial to its function in the body. In this project, we will develop amorphous-matrix Mg alloys with improved corrosion resistance through laser powder bed fusion for the first time. High-resolution synchrotron X-ray analysis and neutron scattering will be used in combination with numerical model development to elucidate microstructural formation mechanisms and to develop novel alloys. The developed materials will be validated in biological systems. The ultimate goal is to achieve Mg alloys adequate for orthopaedic use, with the immense benefits of restoring the patient’s own tissue and eliminating implant-associated risks of infection, potentially sparing millions of lives.