Entwicklung eines Arbeitsprotokolls zur in vitro Charakterisierung des Degradationsverhaltens von Zink und Eisen als resorbierbare Biomaterialien

Abstract

Die Verwendung von Metallen als resorbierbare Biomaterialien kennzeichnet eine neue Generation im Bereich der Medizinprodukte. Mit dem Ziel der zeitgesteuerten, kompletten Auflösung nach erfolgter Heilung sollen diese Metalle in vivo zum Beispiel als Stents oder Osteosynthesematerialien eingesetzt werden. [1] Die Spurenelemente Zink und Eisen sind aufgrund ihrer Korrosionseigenschaften potentielle Biomaterialien zur Verwendung im menschlichen Organismus [2]. Um diese Metalle jedoch in vivo einsetzen zu können, muss das Degradationsverhalten in vitro charakterisiert werden. In dieser Arbeit wurden verschiedene Zink-, Eisen, und Stahlproben sowie eine Eisenlegierung (Fe-Mn-C) untersucht. Ziel dieser Arbeit war die Erstellung eines Protokolls zur verlässlichen Bewertung des Degradationsverhaltens metallischer Biomaterialien in vitro auf Basis elektrochemischer Messungen. Diese wurden mit dem Mini Cell System (MCS) in drei unterschiedlichen Elektrolyten (Ringerlösung pH 7,4, Ringerlösung pH 1 und Zellkulturmedium BME) durchgeführt. Zu Beginn wurde das Ruhepotential über 7200 sec bestimmt. Im Anschluss daran wurden zwei zyklovoltametrische Messungen durchgeführt – ein kurzer Zyklus „CV 1“ zur Simulation des Alterungsprozesses sowie ein langer Zyklus „CV 2“ zur Simulation maximal möglicher Degradation. Oberflächenveränderungen der Messflächen wurden mit Hilfe der energiedispersiven Röntgenspektroskopie mit dem Rasterelektronenmikroskop (EDX-Analyse), der Volumenbestimmung mit dem Mikroskop Alicona IF und der optischen Aufnahmen im Mikroskop VHX-5000 (Fa. Keyence) ausgewertet. Die Lösungsbestandteile des Elektrolyten wurden exemplarisch für Messungen in Ringerlösung pH 7,4 mit der induktiv gekoppelten Plasma Massenspektrometrie analysiert. Zur Qualifizierung der elektrochemischen Messergebnisse wurden als vergleichbare Parameter die Masseverluste ∆m und die Ladungsmenge Q bestimmt, die mit Hilfe der elektrochemischen Messungen, der Volumenbestimmung und der Lösungsanalytik ermittelt werden konnten. Die Zinkproben korrodierten gleichmäßig und es bildete sich keine Passivierungsschicht auf der Probenoberfläche aus. Die Ruhepotentiale der Zinkproben waren im Gegensatz zu den Eisen- und Stahlproben nicht pH abhängig. Das Ruhepotential von Eisen in Ringerlösung pH 7,4 stellte sich erst nach circa 10.000 sec ein, die Ruhepotentiale der anderen Proben stabilisierten sich schneller. Die zyklovoltametrischen Messungen der Eisen- und Stahlproben wiesen eine Phase der Passivierung auf und waren in Ringerlösung pH 1 durch eine starke Wasserstoffentwicklung charakterisiert. Die Stahlproben korrodierten nicht aufgrund ihrer Oberflächenbehandlung. Mit der ICP MS wurden deutlich weniger Metallionen im Elektrolyten bestimmt als erwartet. Das Übertragungsprotokoll muss für diese Methode optimiert werden. Die elektrochemischen Messergebnisse lassen sich für Zink mit der Volumenanalyse im Alicona IF bestätigen und zeigen, dass das Messprotokoll zur Charakterisierung des Degradationsverhaltens von Zink geeignet ist. Für Eisen und die Eisenlegierung ist der Vergleich mit unabhängigen Messmethoden aufgrund ihres Degradationsverhaltens noch erschwert und bedarf weiterer Untersuchungen.

Using metals as resorbable biomaterials marks a new generation of medical products. With the aim of time-controlled, complete dissolution after healing, these metals are to be used in vivo, for example, as stents or osteosynthesis materials. [1] Due to their corrosion properties, the trace elements zinc and iron are potential biomaterials for application in human organism [2]. To use these metals in vivo it is important to characterize their degradation in vitro. In this work, zinc, iron alloys (Fe and Fe-Mn-C) and steel specimens were analyzed. The aim of this work was to develop a protocol to evaluate degradation behavior of metallic biomaterials in vitro based on electrochemical measurements. Measurements were performed in three different electrolytes (Ringer's solution pH 7,4, pH 1 and a cell culture medium (BME)) using the Mini Cell System (MCS). At the beginning the open circuit potential (OCP) was measured for 7200 sec. After that, two cyclovoltametric measurements were performed - a short cycle “CV 1” to simulate ageing process and a long cycle “CV 2” to simulate maximum degradation. Surface modifications were determined by energy dispersive X ray spectroscopy (EDX analysis) in scanning electron microscope (SEM), volume determination with the Alicona IF and optical analysis with VHX-5000 Keyence microscope. The components of the electrolyte were analyzed exemplarily for measurements in Ringer's solution pH 7,4 with the inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP MS). To qualify the electrochemical results, mass losses ∆m and charge quantity Q were determined as comparable parameters, which could be determined with electrochemical measurements, volume determination and solution analysis. Zinc corroded uniformly and no passivation layer formed on the surface. In contrast to iron and steel, OCP of zinc was not depending on the pH. OCP of iron in Ringer's solution pH 7.4 was just reached after approximately 10.000 sec, OCP`s of the other specimens stabilized faster. Cyclovoltametric measurements of iron and steel specimens showed a phase of passivation and were characterized by strong hydrogen development in pH 1. Steel specimens were hardly dissolved due to their surface treatment. ICP MS determined significantly fewer metal ions in the electrolyte than expected. The transfer protocol must be optimized for this method. The electrochemical results for zinc can be verified by volume analysis with Alicona IF and show that the protocol is qualified to characterize the degradation behavior of zinc. For iron and iron alloy, comparison with independent measuring methods is more difficult due to their degradation behavior and requires further studies.