Teoretisk studie av bindningsenergier mellan aminosyror och magnesiumlegeringar

Abstract

Idag är nästan alla implantat gjorda av titan- eller stållegeringar. Implantat som inte ska vara kvar permanent i kroppen efter en skada måste opereras ut efter läkning. Det är önskvärt att undvika operationer om möjligt, eftersom det medför risker för patienten och höga operationskostnader. Biologiskt nedbrytbara implantat är därför av stort intresse. Ett lovande material för nedbrytbara implantat är magnesium (Mg). Rent Mg bryts dock ned för snabbt vid många läkningsprocesser, därför utvecklas implantat av Mg-legeringar för att öka korrosionsmotståndet hos implantat. Resultaten från det genomförda projektet som presenteras i denna rapport tyder på att legeringsytor innehållandes zink (Zn), aluminium (Al), och litium (Li) ger upphov till ett förhöjt korrosionsmotstånd, där legeringar med Li visar högst korrosionsmotstånd av de tre.

Dagens forskning inom detta område är till stor del experimentell och mängden teoretisk forskning är relativt liten. Syftet med detta projekt är att med hjälp av datorsimuleringar studera bindningsenergier mellan olika Mg-legeringar och aminosyror för att estimera korrosionsegenskaperna hos Mg-legeringar. Under projektet studerades Mg-legeringar innehållande Zn, Al, eller Li. De undersökta aminosyrorna var glycin, prolin, och hydroxyprolin, som tillsammans utgör den största delen av kollagen, vilket är ett av de vanligaste proteinerna i kroppen. I datorprogram konstruerades modeller bestående av ytan av en Mg-legering och en aminosyra i taget. Bindningsenergin mellan ytan och aminosyran studerades i miljöer som motsvarar vakuum och rent vatten. I vakuum undersöktes aminosyrorna när dessa var både fria och fixerade. Fria aminosyror innebär i detta projekt att molekylen fick röra sig fritt i rummet, fixerade innebär att molekylens rörelsemöjligheter begränsades för att simulera en mer realistisk orientering av aminosyrorna då dessa sammanlänkas i kedjor i kollagen.

Flertalet resultat togs fram under projektet. Beräkningarna från de fria aminosyrorna visade att Mg-Li-legering motsvarande en vikt-% på ungefär 3,8 ger störst bindningsenergi, vilket indikerar att denna legering ger högst korrosionsmotstånd jämfört med rent Mg och legeringar med Zn eller Al. De fixerade aminosyrorna, som endast undersöktes med en Mg-Zn yta, visade knappt märkbara skillnader i bindningsenergi mellan legeringshalterna. Beräkningarna i vattenmiljö hann inte konvergera inom projektets tidsram, och därmed gavs inget slutgiltigt resultat för bindningsenergierna. Däremot erhölls bilder som visade hur aminosyran prolin rör sig i en vattenmiljö. I fortsatt teoretisk forskning rekommenderas vidare undersökning av hur aminosyrorna binder till Mg-legeringar i en vattenmiljö, samt hur aminosyrorna beter sig då de befinner sig i kollagenkedjor.