Surface Modification of Biodegradable Metallic Materials with Focus on Magnesium and Iron

Oberflächenmodifizierung von bioabbaubaren metallischen Materialien mit Fokus auf Magnesium und Eisen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-85481
  • Biodegradable metallic implants are being considered as promising candidates to replace non-degradable ones for applications such as bone plates, screw fixations, and vascular stents in surgical applications. The advantage of biodegradable implants is the avoidance of the second operation to remove non-degradable inert devices, which raises the cost and causes pain for patients. Bioabsorbable implants should be designed to be completely degraded with a proper host response after tissues heal in vivo. Due to their attractive mechanical properties, biocompatibility and biodegradability, magnesium and iron are regarded as suitable biodegradable substitutes to replace permanent implants andBiodegradable metallic implants are being considered as promising candidates to replace non-degradable ones for applications such as bone plates, screw fixations, and vascular stents in surgical applications. The advantage of biodegradable implants is the avoidance of the second operation to remove non-degradable inert devices, which raises the cost and causes pain for patients. Bioabsorbable implants should be designed to be completely degraded with a proper host response after tissues heal in vivo. Due to their attractive mechanical properties, biocompatibility and biodegradability, magnesium and iron are regarded as suitable biodegradable substitutes to replace permanent implants and devices. In principle, a controllable degradation rate should be achieved as this is a key requirement for degradable metallic biomaterials. Regarding the degradation rate, magnesium and iron present different challenges for biomedical application. For example, the high dissolution rate of magnesium in biological environment leading to severe pH changes and hydrogen evolution near implantation sites has largely inhibited its biomedical application (including also Mg alloys). On the contrary, iron shows a too slow degradation rate as a possible biodegradable material. Surface treatments and modifications are considered to be relative low-cost and high-efficient ways to obtain coating systems which can be used to tailor the degradation rate of magnesium and iron. Besides controlling the dissolution of bulk substrates, surface coating systems could be multi-functionalized, for example by introducing bioactive particles to improve bioactivity (e.g. bone bonding ability) and for drug delivery. In the present work, protective coating systems on magnesium and nanostructured oxide layers on iron were investigated, respectively. Polycaprolactone (PCL)-based and polyetherimide (PEI)-based composite coating systems were applied on pure magnesium by spin coating method. Selective concentrations of nano-scaled bioactive glass particles (nBG) were added to PCL coatings to investigate the influence of nBG on coating properties. It was found that nBG addition in PCL increases the degradation of PCL in physiological solution and the addition of nBG facilitates the formation of calcium phosphates on the composite surface upon 7 days of immersion in simulated body fluid (SBF). Further, different amounts of copper (Cu)-containing bioactive glass nanoparticles (Cu-BGNs) were added to the optimized PCL coatings and the influence of Cu-BGNs addition on the coating performance was investigated. Increasing concentration of Cu-BGNs was found to lead to slightly decreasing wettability and anti-corrosion properties of Cu-BGN/PCL composite coating. Higher Cu-BGNs content in the coatings facilitates more calcium phosphate formation after 7 days of immersion in Dulbecco’s modified Eagle’s medium (DMEM). The growth of S.carnosus and E. coli was inhibited by Cu2+ ions released from Cu-BGN coatings highlighting the antibacterial capability of the coatings. Besides, cytocompatibility experiments showed that the viability and proliferation of MG-63 cells on Cu-BGN/PCL coatings significantly increased compared to values for pure magnesium; however, the addition increase of Cu-BGNs showed a slight decrease of cell proliferation and cell activity. In addition, PEI coatings were obtained on pure magnesium, which was pretreated with di-ammonium hydrogen phosphate (DAHP) by hydrothermal method. The DAHP/PEI layered coatings dramatically improved the corrosion resistance of magnesium and the coatings showed no visible changes after 3 days of immersion in DMEM. In vitro cytocompatibility assessment demonstrated that MG-63 cells on DAHP/PEI possess the high viability, proliferation rate and lactate dehydrogenase (LDH) activity. Furthermore, a hybrid of metallic iron in a layered composite structure on magnesium was studied to combine the merits of both metals. A single-step dip coating method was employed to prepare the layered composite material. Morphology, composition, crystal structure and corrosion behavior of the Mg/Fe sheet were assessed. The Mg/Fe layered composite sheet is composed of the magnesium substrate, a 1-2 µm metallic iron coating, and a “pompon-like” Mg(OH)2/MgO top layer. Long-term open-circuit potential measurements revealed that the Mg/Fe sheet samples exhibit a “self-healing” effect in DMEM. In the last part of the work, iron oxide nanostructured arrays were successfully fabricated on pure iron substrates by anodic oxidization process. The oxide layer is considered an activated surface to accelerate the degradation rate of iron substrates. Iron oxide nanostructured arrays in porous and tubular structures were produced and studied by electrochemical and immersion tests, to reveal details of the degradation process. Cytotoxicity of iron nano arrays was assessed by indirect test using MG-63 cells. No cytotoxicity was found in all extracts from iron oxide nanostructured arrays after 2d culture in DMEM. In summary, different surface modifications were designed and applied on biodegradable magnesium and iron substrates to achieve different goals. Regarding magnesium, PCL-based (with nBG/Cu-BGN addition) and PEI-based (DAHP pre-coating) composite coatings with suitable barrier properties and cell compatibility are promising examples of the success of the methodology developed for the surface treatment of biodegradable magnesium implants and devices. Furthermore, for iron biomaterials, developing iron nanoarrays on iron substrates showed good cytocompatibility suggesting the potential of using iron as a biodegradable material in the biomedical field. The results of the present research project are thus relevant to broaden biomedical applications of pure magnesium and iron.show moreshow less
  • In neueren Untersuchungen werden biodegradierbare, metallische Implantate als vielversprechende Ersatzkandidaten für nicht-degradierbare Implantate, wie z.B. Knochenplatten, Schraubenfixierung und vaskuläre Stents, in chirurgischen Anwendungen angesehen. Der Vorteil der biodegradierbaren Implantate ist die Vermeidung einer zweiten Operation zur Entfernung von nicht-abbaubaren inerten Instrumenten, welches sowohl die Kosten, als auch das Trauma für Patienten erhöht. Die bioabsorbierbaren Implantate sollten so konstruiert sein, dass sie sich mit einer angemessenen Wirtsreaktion nach der Gewebeheilung in vivo vollständig auflösen. Auf Grund der passenden mechanischen Eigenschaften, derIn neueren Untersuchungen werden biodegradierbare, metallische Implantate als vielversprechende Ersatzkandidaten für nicht-degradierbare Implantate, wie z.B. Knochenplatten, Schraubenfixierung und vaskuläre Stents, in chirurgischen Anwendungen angesehen. Der Vorteil der biodegradierbaren Implantate ist die Vermeidung einer zweiten Operation zur Entfernung von nicht-abbaubaren inerten Instrumenten, welches sowohl die Kosten, als auch das Trauma für Patienten erhöht. Die bioabsorbierbaren Implantate sollten so konstruiert sein, dass sie sich mit einer angemessenen Wirtsreaktion nach der Gewebeheilung in vivo vollständig auflösen. Auf Grund der passenden mechanischen Eigenschaften, der Biokompatibilität und Bioabbaubarkeit, werden beide, Magnesium und Eisen, als geeigneter biodegradierbarer Ersatz für permanente Implantate und Instrumente angesehen. Prinzipiell soll eine kontrollierbare Abbaurate erreicht werden, da dies die Hauptanforderung für degradierbare, metallische Biomaterialien ist. Bezüglich der Abbaurate präsentieren Magnesium und Eisen verschiedene Herausforderungen in der Anwendung. Zum Beispiel führt die schnelle Auflösungsrate von Magnesium in biologischer Umgebung zu hohen pH Änderungen und zur Wasserstofffreisetzung nahe des Implantationsortes, welches die biomedizinischen Anwendungen zum Großteil verhindert (einschließlich der Mg-Legierungen). Im Gegensatz dazu zeigt Eisen eine zu langsame Abbaubarkeit, um als mögliches biodegradierbares Material zu gelten. Oberflächenbehandlungen und Modifizierungen werden als relativ kostengeringe und effiziente Wege angesehen, um Beschichtungssysteme zu erhalten, die verwendet werden können, um die Auflösung von Magnesium und Eisen zu beeinflussen. Neben der kontrollierten Auflösung des Bulk Materials, können Oberflächenbeschichtungssystem multifunktionalisiert werden, z.B. mit der Einführung von bioaktiven Partikeln um die Bioaktivität (Knochenanbindungsfähigkeit) und die Wirkstofffreisetzung zu verbessern. In dieser Arbeit werden die schützenden Beschichtungssysteme auf Magnesium und nanostrukturierte Oxidschichten auf Eisen untersucht. Polycaprolacton (PCL) und Polyetherimid (PEI)-basierte Kompositsysteme wurden auf reines Magnesium mittels Rotationsbeschichtung aufgebacht. Gleiche Mengen von nano-skalierten bioaktiven Glaspartikeln (nBG) wurden in verschiedenen Konzentrationen den PCL Beschichtungen zugegeben, um den Einfluss von nBG zu untersuchen und die optimale PCL Konzentration zu bestimmen. Es ergab sich, dass die Zugabe von nBG zu PCL die Abbaubarkeit von PCL in physiologischer Lösung erhöht und die Zugabe von nBG die Bildung von Calciumphosphaten auf der Kompositoberfläche innerhalb 7 Tage Immersionstest in simulierter Körperflüssigkeit (SBF) fördert. Weiterhin wurden unterschiedliche Mengen von Kupfer(Cu)-enthaltenden bioaktiven Glas-Nanopartikeln (Cu-BGNs) in die konzentrationsoptimierte PCL Beschichtung gegeben und der Einfluss der Cu-BGNs Zugabe auf das Beschichtungsverhalten untersucht. Steigende Konzentrationen von Cu-BGNs führten zu einer leichten Absenkung der Wasserbenetzbarkeit und der Anti-Korrosionseigenschaften der Cu-BGN/PCL Kompositbeschichtungen. Im Gegensatz dazu förderte ein höherer Cu-BGNs Anteil in der Beschichtung die Formierung von Calciumphosphaten nach 7 Tagen Immersionstest in Dulbecco’s modified Eagle’s medium DMEM. Der Wachstum von S. carnosus und E. coli war durch die Cu2+ Ionen Freigabe der Cu-BGNs Beschichtungen unterdrückt. Zusätzlich zeigten die Viabilität und Proliferation von MG-63 Zellen auf Cu-BGN/PCL Beschichtungen einen signifikanten Anstieg im Vergleich zu den Werten von reinem Magnesium; nichtsdestotrotz zeigte die ansteigende Zugabe von Cu-BGNs eine geringe Reduzierung der Zellproliferation und Zellaktivität. Zusätzlich wurden PEI Beschichtungen auf reinem Magnesium erhalten, welches mit Diammoniumhydrogenphosphat (DAHP) durch hydrothermale Methoden vorbehandelt wurde. Die DAHP/PEI überlagert Beschichtung verbesserte den Korrosionswiderstand von Magnesium erheblich und die Beschichtung zeigte keine deutlich sichtbaren Veränderungen nach 3 Tagen Immersionstest in DMEM. In vitro Zellkompatibilitätsmessungen zeigten, dass MG-63 Zellen auf DAHP/PEI eine hohe Viabilität, Proliferationsrate und Laktatdehydrogenase Aktivität (LDH) besitzen. Weiterhin wurde ein Hybrid aus metallischen Ionen in Schichtkompositen auf Magnesium untersucht, um die Vorteile beider Metalle zu verbinden. Eine Einzelschritt-Tauchbeschichtung wurde verwendet, um ein Schichtkompositmaterial zu erhalten. Die Morphologie, Komposition, Kristallstruktur und das Korrosionsverhalten auf dem Mg/Fe Blech wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM), energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS), Röntgenbeugung (XRD) und elektrochemischen Messungen untersucht. Das Mg/Fe Schichtkompositblech bestand aus einem Magnesiumsubstrat, einer 1-2 µm dicken metallischen Eisenbeschichtung und einer Pompon-ähnlichen Mg(OH)2/MgO Oberfläche. Langzeit Leerlaufpotentialmessungen zeigten, dass Mg/Fe Blechproben einen „selbst-heilenden“ Effekt in (DMEM) besitzen. Im letzten Teil dieser Arbeit wurden Eisenoxidnanostrukturen erfolgreich durch anodische Oxidationsprozesse auf reinen Eisensubstraten hergestellt. Die Oxidschicht wird als eine aktivierte Oberfläche auf dem Eisen betrachtet, welche die Auflösungsrate von Eisensubstraten beschleunigt. Diese Eisenoxidnanostrukturen in porösen und tubularen Strukturen wurden hergestellt und mittels elektrochemischer Test und Immersionsversuchen untersucht, um die Details des Degradationsprozesses zu offenbaren. Zytotoxizität der Eisennanostrukturen wurde durch indirekte Zellversuche mit MG-63 Zellen getestet. Es zeigt sich, dass keine Zytotoxizität in keiner der Extrakte von den Eisenoxidnanostrukturen nach 2 Tagen Inkubation in DMEM gefunden werden konnte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unterschiedliche Oberflächenmodifikationen entwickelt und auf bioabbaubaren Magnesium- und Eisensubstraten angewendet wurden, um verschiedene Ziele zu erreichen. Bezüglich der magnesiumhaltigen Biomaterialien sind PCL- (mit nBG/Cu-BGN Zugabe) und PEI- (DAHP Vorbehandlung)basierte Kompositbeschichtungen mit geeigneten begrenzenden Eigenschaften und Zellkompatibilität erfolgsversprechende Beispiele der entwickelten Methode für die Oberflächenbehandlung von bioabbaubaren Magnesium Implantaten und Instrumenten. Für eisenhaltige Biomaterialien konnte die Entwicklung von Eisennanoanordnungen auf Eisensubstraten gute Zytokompatibilität zeigen, welches das Potential von Eisen als bioabbaubares Material hervorhebt. Aus diesem Grund wird die Erforschung von verschiedenen Arten der Oberflächenmodifikation, welche in dieser Arbeit präsentiert werden, als eine Erweiterung der biomedizinischen Anwendungen auf bioabbaubares reines Magnesium und reines Eisen angesehen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Yuyun Yang
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-85481
Referee:Aldo R. Boccaccini
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2017
Date of online publication (Embargo Date):2017/05/30
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2017/03/23
Release Date:2017/06/07
SWD-Keyword:Magnesium; Iron; Biocompatibility; Biodegradability
Institutes:Technische Fakultät
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
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