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Bereits seit einigen Jahrzehnten steht Magnesium im Fokus der Medizintechnikforschung im Bereich der bio-resorbierbaren Implantatmaterialien. Neben den Eigenschaften, die Magnesium für die Anwendung als Implantatmaterial auszeichnen, besteht jedoch nach wie vor das Problem der anfänglich starken Auflösung von Magnesium verbunden mit hoher Wasserstoffentwicklung und lokaler Alkalisierung. Ansätze zur Herabsetzung der Korrosionsrate, vor allem zu Beginn, sind neben der Entwicklung von Mag-nesiumlegierungen, geeignete Beschichtungen. Mehrfach wird in der Literatur vom Ein-fluss von Proteinen auf die Korrosion von Metallen berichtet. Für Magnesium zeigte sich in der Vergangenheit ein überwiegend positiver Effekt von Serumproteinen auf die Kor-rosionsbeständigkeit. Es wird angenommen, dass Proteine auf der Magnesiumoberfläche adsorbieren und eine isolierende Schicht bilden können. In der vorliegenden Arbeit werden Proteinschichten auf Magnesium hinsichtlich ihrer Eignung als Korrosionsschutz untersucht. Als Modellproteine werden bovines Serumal-bumin (BSA) und Lysozym (LYS) gewählt. Die Immobilisierung der Proteine erfolgt teil-weise über Linkermoleküle, wobei die Beschichtungszeit der Proteine von 0,25 h bis 24 h variiert wird. Die Oberflächencharakterisierung zeigt sowohl den Erfolg aller Linker-vorbehandlungen als auch der BSA- und LYS-Beschichtungen. Während für BSA Be-schichtungszeiten bis 0,5 h generell die größte Menge an Proteinen auf der Oberfläche aufweisen, nimmt für LYS die adsorbierte Proteinmenge nahezu kontinuierlich mit der Beschichtungszeit zu. Erste elektrochemische Messungen weisen darauf hin, dass so-wohl die Linker- als auch die Proteinschichten zu einer Zunahme der Korrosionsbestän-digkeit von Magnesium in SBF führen können, wobei ein Vergleich der Proteinschichten zeigt, dass die besten Ergebnisse für kurze Beschichtungszeiten erreicht werden. Elekt-rochemische Messung in Zellkulturmedium (Dulbecco´s Modified Eagles Medium, DMEM) bei 37°C machen deutlich, dass auch die Auslagerung im teilweise organischen Elektrolyt zur Bildung einer Schicht führt, welche einen großen Einfluss auf die Korrosion von Magnesium hat. Im Vergleich hierzu scheint vor allem der Effekt von adsorbiertem BSA gering zu sein. Im Vergleich der beiden Proteine weisen die LYS-Beschichtungen überwiegend höhere Korrosionsbeständigkeiten auf. Um den Einfluss der in DMEM gebildeten Schichten auf die Korrosion von Magnesium genauer zu untersuchen, wird die Passivierung von Rein-Magnesium für 1, 3 und 5 Tage bei Raumtemperatur und im Inkubator bei 37°C vorgenommen. Durch die Zugabe von FCS zum Medium im Inkubator wird der zusätzliche Einfluss von Proteinen auf die Kor-rosionsbeständigkeit von Magnesium untersucht. Die Oberflächenanalyse zeigt, dass sich bei allen Auslagerungsparametern hauptsächlich amorphe Calciumphosphatverbin-dungen ablagern, die sich in ihrem Ca/P-Verhältnis, sowie der Schichtdicke und der Mik-rostruktur unterscheiden. Die elektrochemische Analyse weist auf eine Abhängigkeit der Korrosionsbeständigkeit vom Ca/P-Verhältnis hin. Bei der Passivierung in DMEM + FCS wird der positive Einfluss der Proteine auf die Magnesiumkorrosion deutlich. Eine Kom-bination der DMEM-Passivierung mit den Linkermolekülbeschichtungen ist zwar möglich, führt jedoch zu keiner zusätzlichen Steigerung der Korrosionsbeständigkeit. Um den Einfluss der verschiedenen Linkermoleküle sowie der DMEM-Passivierung auf die Zelladhäsion und –proliferation zu untersuchen, werden Zellversuche bis zu 20 Tage mit zwei Zelllinien – Endothelzellen (DH1+/+) und Osteosarkomazellen (Mg63) – durch-geführt. Im Vergleich zu reinem Magnesium weisen beide Zelllinien für alle Linkermole-küle eine höhere anfängliche Zelladhäsion auf, die untersuchte DMEM-Passivierung hingegen führt zu kaum einer Erhöhung der Zellzahl auf der Oberfläche. Die Langzeit-versuche zeigen, dass die Zellkultivierung bis zu 20 Tage sowohl auf Reinmagnesium, als auch auf Linkermolekülbeschichtungen möglich ist. Im Vergleich zu Magnesium weist die untersuchte Linkerschicht eine leicht verbesserte Zelladhäsion und –proliferation sowie eine höhere Langzeitstabilität auf. Elektrochemische Messungen zeigen den positiven Einfluss der Bedeckung der Oberfläche mit Zellen. Im letzten Teil der Arbeit werden die Einflüsse der Messparameter Elektrolyt, Temperatur und Fließgeschwindigkeit des Elektrolyten auf die Magnesiumkorrosion untersucht. Während eine Temperaturerhöhung von Raumtemperatur auf 37°C die Korrosionsbe-ständigkeit von Magnesium in den untersuchten Elektrolyten kaum beeinflusst, findet ein deutlicher Anstieg des Ladungsdurchtrittswiderstandes für die Messungen in DMEM im Vergleich zu denen in SBF statt. Es wird außerdem eine Änderung des Korrosionsme-chanismus beobachtet. Die elektrochemischen Messungen mit fließendem Elektrolyt zeigen eine deutliche Abnahme der Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zum statischen Messsystem. Zudem korreliert die Korrosionsrate mit der Fließgeschwindigkeit des Elektrolyten. For decades magnesium has been in the focus of medical technique research especially for bio-resorbable implant materials. Besides some important properties outstanding for biomedical application, the fast magnesium dissolution right after implantation, leading to strong hydrogen evolution and localized alkalization, remains a problem. Besides the development of bio-compatible alloys appropriate coatings are an approach to overcome these back draws. The influence of proteins on metal corrosion was repeatedly reported in the literature. For magnesium predominantly positive effects of serum proteins on the corrosion resistance were described. It is considered that proteins adsorb on the magne-sium surface and form an isolating layer. In the present work the potential of protein layers on magnesium as possible corrosion protection is investigated. As model proteins bovine serum albumin (BSA) and lysozyme (LYS) are chosen. The immobilization of the proteins partially occurs via linker molecules varying the protein coating time (0.25 h up to 24 h). The success of the linker pre-treatment and the protein coatings can be shown by surface characterization. For BSA short coating times up to 0.5 h lead to the largest amount of proteins on the surface in contrary to LYS, for which the adsorbed amount of proteins increases with coating time. First electrochemical measurements indicate the improvement of the corrosion re-sistance of magnesium in SBF by linker and protein coatings. A comparison of the differ-ent protein layers shows the best results for short coating times. Electrochemical analysis in cell culture medium (Dulbecco´s Modified Eagles Medium, DMEM) at 37°C points out that a protective layer is built by the immersion in the partially organic electrolyte itself, leading to a significant increase in corrosion resistance. In comparison to this influence, the effect of the protein coatings is rather small, especially in the case of BSA. Among the protein layers, LYS shows predominantly higher corrosion resistances. In order to investigate the influence of the layers built during the immersion in DMEM, pure magnesium is passivated in DMEM for 1, 3 and 5 days at room temperature and at 37°C in the incubator. The influence of proteins on the corrosion resistance of magnesi-um is elucidated by the addition of fetal calf serum (FCS) to the medium in the incubator. Surface analysis shows the formation of calcium phosphate precipitation for all immer-sion parameters, differing in layer thickness, micro-structure and the Ca/P ratio. Electro-chemical measurements for DMEM indicate the dependence of corrosion resistance and Ca/P ratio. The immersion in DMEM + FCS elucidates the effect of proteins on magnesi-um corrosion. The combination of DMEM passivation and linker coating is possible. However, it does not lead to a further improvement in corrosion resistance. Cell test with two different cell lines – endothelial cells (DH1+/+) and osteosarcoma cells (Mg63) – for up to 20 days were conducted in order to investigate the influence of the linker molecules and passivation in DMEM on the cell adhesion and proliferation behav-ior. Compared to pure magnesium, all linker coatings show higher initial cell adhesion. For the DMEM passivation, however, almost no increase in cell density can be observed. Long term experiments show that cell cultivation is possible for at least 20 days for pure magnesium as well as for the investigated linker coating. Compared to magnesium, the linker coating leads to a slight increase in cell density and spreading and a better long-time stability. Electrochemical measurements elucidate the positive effect of cell cover-age. In the last part of this work, the influence of the measuring parameters electrolyte, tem-perature and flow rate of the electrolyte on the corrosion behavior of magnesium are investigated. Whereas the rise of temperature from room temperature to 37°C shows no significant effect on the corrosion resistance of magnesium, the use of DMEM as electro-lyte leads to a distinct increase in charge transfer resistance compared to the measure-ments conducted in SBF. In addition a change in corrosion mechanism can be observed. Electrochemical measurements with flowing electrolyte indicate a decrease in corrosion resistance compared to the static measuring system. Furthermore, the corrosion rate shows a correlation with the flow rate. |
