Microstructure, tensile behavior and cyclic bendability of directly extruded biodegradable Zn, Zn-Mg and Zn-Mg-Sr wires

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der die Metallschrauben und -platten, die gebrochene Knochen zusammenhalten, nicht nach der Heilung des Knochens chirurgisch entfernt werden müssen. Stattdessen lösen sie sich sicher im Körper auf und hinterlassen keine Spur. Dies ist das Versprechen von biologisch abbaubaren Metallen, einem Bereich, der schon lange Magnesium und Eisen als potenzielle Kandidaten in Betracht zieht. Zink, ein essenzieller Nährstoff, den unser Körper bereits zur Bildung von Enzymen und zur Regulierung von Genen nutzt, ist kürzlich als dritter Anwärter in den Fokus gerückt. Es bietet eine langsamere, kontrolliertere Auflösungsrate als Magnesium, das sich manchmal zu schnell auflösen kann, um nützlich zu sein. Damit Zink jedoch zu einem praktischen Material für medizinische Geräte wie Nähte oder Drähte wird, die Gewebe zusammenhalten, muss es stark genug sein, um einen Bruch an Ort und Stelle zu halten, und gleichzeitig flexibel genug, um ohne zu brechen in Form gebogen werden zu können. Jahrelang haben Wissenschaftler darum gekämpft, eine Version von Zink zu finden, die sowohl Festigkeit als auch Flexibilität besitzt, wobei sie oft feststellten, dass die Erhöhung der Festigkeit das Material spröde machte.

Ein Forscherteam setzte sich zum Ziel, dieses Rätsel zu lösen, indem es dünne Drähte aus reinem Zink sowie zwei zinkbasierten Legierungen herstellte – eine Mischung mit einer kleinen Menge Magnesium und eine weitere mit Magnesium und einem Hauch Strontium. Sie haben diese Metalle nicht einfach in Form gegossen; stattdessen pressten sie sie durch eine winzige Öffnung bei hoher Hitze, ein Verfahren, das als Direkt-Extrusion bezeichnet wird. Bei dieser Methode wird das Metall mit immensem Druck gequetscht, was die Anordnung der winzigen Kristalle im Inneren des Metalls grundlegend verändert. Das Ziel war es zu sehen, ob dieser Prozess Drähte erzeugen konnte, die sowohl stark als auch in der Lage waren, der für den medizinischen Gebrauch erforderlichen Biegung standzuhalten. Die Ergebnisse offenbarten eine komplexe Geschichte darüber, wie winzige Partikel im Inneren des Metalls es stärker machen können, aber auch, wie die Natur des Zinks selbst seine Fähigkeit begrenzt, sich wiederholt zu biegen.

Die Forscher begannen damit, die interne Struktur der von ihnen hergestellten Drähte zu untersuchen. In reinem Zink waren die mikroskopischen Kristalle, bekannt als Körner, relativ groß und maßen etwa 36 Mikrometer. Als sie Magnesium und Strontium hinzufügten, geschah etwas Bemerkenswertes. Diese Elemente bildeten winzige, harte Partikel innerhalb des Metalls, die als Keime für das Wachstum neuer Kristalle dienten. Dieser Prozess, bekannt als partikelstimulierte Nukleation, zertrümmerte die großen Körner in viel kleinere. In der Magnesiumlegierung schrumpften die Körner auf etwa 7 Mikrometer, und in der Magnesium-Strontium-Legierung wurden sie noch feiner, bis hin zu nur 3 Mikrometern. Diese Reduzierung der Korngröße hatte einen tiefgreifenden Effekt auf die Festigkeit. Während der reine Zinkdraht einer Zugkraft von etwa 119 Megapascal standhalten konnte, bevor er brach, konnte die Magnesiumlegierung fast 291 Megapascal bewältigen, und die Magnesium-Strontium-Legierung hielt sogar 334 Megapascal stand. Die Zugabe dieser Elemente verwandelte das Metall im Wesentlichen in ein viel robusteres Material, das in der Lage war, deutlich mehr Gewicht zu tragen.

Doch Festigkeit ist nur die halbe Wahrheit. Die Forscher testeten auch, wie sich diese Drähte beim Dehnen und Biegen verhielten, wobei sie besonders darauf achteten, wie sie sich bei Körpertemperatur, also 37 Grad Celsius, verhielten. Beim Dehnen zeigte der reine Zinkdraht ein gezacktes Sägezahnmuster in seiner Spannungskurve, ein Zeichen dafür, dass er sich durch einen Mechanismus namens Twinning (Zwillingbildung) verformte, bei dem Schichten von Atomen in einer plötzlichen, ruckartigen Bewegung übereinander gleiten. Die legierten Drähte verhielten sich anders. Die Magnesiumlegierung zeigte einen einzigen, scharfen Abfall der Spannung, während die Magnesium-Strontium-Legierung sich am weitesten dehnte, bevor sie brach, und eine Dehnung von 19 Prozent erreichte. Diese Legierung war am duktiler, was bedeutet, dass sie sich am weitesten dehnen konnte, ohne zu reißen. Die Forscher überprüften auch, ob sich die Drähte im Laufe der Zeit verändern würden, indem sie sie 20 Tage lang bei Körpertemperatur lagerten. Sie stellten fest, dass die mechanischen Eigenschaften bemerkenswert stabil blieben und die winzigen Partikel im Inneren des Metalls nicht wuchsen oder sich so veränderten, dass der Draht geschwächt worden wäre.

Die überraschendste und schwierigste Entdeckung kam, als das Team die Fähigkeit der Drähte testete, sich hin und her biegen zu lassen – eine kritische Anforderung für Geräte, die durch den Körper geführt oder um Knochen gewickelt werden müssen. Sie unterzogen die Drähte wiederholten Zyklen des Biegens und Streckens. Die Ergebnisse waren drastisch: Alle drei Zusammensetzungen, einschließlich der stärksten und duktilsten Legierungen, versagten nach nur wenigen Biegungen. Der reine Zinkdraht riss innerhalb von drei bis sechs Zyklen, und die legierten Drähte schnitten nicht besser ab und brachen oft schon beim dritten Zyklus. Die Forscher nutzten fortschrittliche Bildgebungsverfahren, um zu beobachten, was im Inneren des Metalls geschah. Sie beobachteten ein Phänomen namens Twinning und Detwinning (Zwillingbildung und Rückbildung). Wenn der Draht gebogen wurde, änderte die interne Kristallstruktur ihre Orientierung, um die Spannung aufzufangen. Wenn der Draht wieder gestreckt wurde, kehrten die Kristalle in ihre ursprüngliche Orientierung zurück. Während dieser Mechanismus es dem Metall ermöglichte, sich einmal zu biegen, erzeugte das wiederholte Umklappen Schwachstellen und Risse, die schließlich zum Bruch des Drahtes führten.

Diese Studie bestätigt, dass die Direkt-Extrusion eine praktikable Methode ist, um starke, feinkörnige Zinkdrähte herzustellen, die bei Körpertemperatur stabil sind. Die Zugabe von Magnesium und Strontium verfeinerte erfolgreich die interne Struktur des Metalls und steigerte dessen Festigkeit und Duktilität auf ein Niveau, das weit über dem von reinem Zink liegt. Dennoch identifiziert die Forschung auch eine grundlegende Hürde. Trotz der Verbesserungen bei Festigkeit und Dehnbarkeit leiden die Drähte immer noch unter einer mangelnden Widerstandsfähigkeit gegenüber wiederholtem Biegen. Die Unfähigkeit, zyklisches Biegen auszuhalten, scheint eine intrinsische Einschränkung der Kristallstruktur von Zink zu sein, die stark auf Twinning angewiesen ist, um sich zu verformen. Obwohl die Legierungen ein bedeutender Schritt nach vorn sind, kommen die Forscher zu dem Schluss, dass die Wissenschaftler einen Weg finden müssen, diese spezifische Schwäche in der Reaktion des Metalls auf wiederholte Belastung zu überwinden, damit diese Drähte in medizinischen Geräten, die Biegen erfordern – wie etwa Führungsdrähte oder chirurgische Nähte – eingesetzt werden können.