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