Biodegradable metals are breaking the current paradigm in biomaterial science to develop only corrosion resistant metals. In particular, metals which consist of trace elements existing in the human body are promising candidates for temporary implant materials. These implants would be temporarily needed to provide mechanical support during the healing process of the injured or pathological tissue. Magnesium and its alloys have been investigated recently by many authors as a suitable biodegradable biomaterial. In this investigative review we would like to summarize the latest achievements and comment on the selection and use, test methods and the approaches to develop and produce magnesium alloys that are intended to perform clinically with an appropriate host response.

Magnesium alloys have attracted increasing interest in the past years due to their potential as implant materials. This interest is based on the fact that magnesium and its alloys are degradable during their time of service in the human body. Moreover magnesium alloys offer a property profile that is very close or even similar to that of human bone. The chemical composition triggers the resulting microstructure and features of degradation. In addition, the entire manufacturing route has an influence on the morphology of the microstructure after processing. Therefore the composition and the manufacturing route have to be chosen carefully with regard to the requirements of an application. This paper discusses the influence of composition and heat treatments on the microstructure, mechanical properties and corrosion behaviour of cast Mg-Gd alloys. Recommendations are given for the design of future degradable magnesium based implant materials.

Degradable magnesium alloys for biomedical application are on the verge of being used clinically. Rare earth elements (REEs) are used to improve the mechanical properties of the alloys, but in more or less undefined mixtures. For some elements of this group, data on toxicity and influence on cells are sparse. Therefore in this study the in vitro cytotoxicity of the elements yttrium (Y), neodymium (Nd), dysprosium (Dy), praseodymium (Pr), gadolinium (Gd), lanthanum (La), cerium (Ce), europium (Eu), lithium (Li) and zirconium (Zr) was evaluated by incubation with the chlorides (10-2000 microM); magnesium (Mg) and calcium (Ca) were tested at higher concentrations (200 and 50mM, respectively). The influence on viability of human osteosarcoma cell line MG63, human umbilical cord perivascular (HUCPV) cells and mouse macrophages (RAW 264.7) was determined, as well as the induction of apoptosis and the expression of inflammatory factors (TNF-alpha, IL-1alpha). Significant differences between the applied cells could be observed. RAW exhibited the highest and HUCPV the lowest sensitivity. La and Ce showed the highest cytotoxicity of the analysed elements. Of the elements with high solubility in magnesium alloys, Gd and Dy seem to be more suitable than Y. The focus of magnesium alloy development for biomedical applications should include most defined alloy compositions with well-known tissue-specific and systemic effects.

The aim of this study was to investigate whether the extruded magnesium alloy LAE442 reacts in vivo with an appropriate host response and to investigate how an additional magnesium fluoride (MgF2) coating influences the in vivo corrosion rate. Forty cylinders were machined from extruded LAE442 and 20 of these were coated additionally with MgF2 and implanted into the medial femur condyle of adult rabbits. Synchrotron-radiation-based X-ray computed micro-tomography (SRμCT) was used to quantitatively analyse corrosion non-destructively in vivo and comparisons were made to magnesium degradation rates based on area measurements of the remaining metal on uncalcified sections. Blood concentrations of the alloying elements were measured below toxicological limits. The MgF2 layer was no longer detected after 4 weeks of implantation by particle-induced gamma emission, and the MgF2 coating reduced the blood content of alloying elements during the first 6 weeks of implantation with no elevated fluoride concentration in the adjacent bone. Histopathological examinations of liver showed in 9 out of 40 cases minimal infiltrations of heterophil granulocytes of unknown origin (5 LAE442, 4 LAE442 + MgF2). The kidneys were mainly regular in structure. The synovial tissue showed a granular cell infiltration as a temporary observation in the LAE442 + MgF2 group after 2 weeks. No subcutaneous gas cavities were observed clinically and on postoperative X-rays in all animals. All specimens were scanned by SRμCT at 2, 4, 6 and 12 weeks postoperatively before uncalcified sections were performed. All magnesium implants have been observed in direct bone contact and without a fibrous capsule. Localized pitting corrosion occurred in coated and uncoated magnesium implants. This study shows that the extruded magnesium alloy LAE442 provides low corrosion rates and reacts in vivo with an acceptable host response. The in vivo corrosion rate can be further reduced by additional MgF2 coating.