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

Imagina un mundo donde los tornillos y placas metálicas que sujetan los huesos rotos no necesitan ser extraídos quirúrgicamente después de que el hueso sana. En su lugar, se disuelven de forma segura dentro del cuerpo, sin dejar rastro alguno. Esta es la promesa de los metales biodegradables, un campo que durante mucho tiempo ha visto al magnesio y al hierro como candidatos potenciales. El zinc, un nutriente esencial que nuestros cuerpos ya utilizan para construir enzimas y regular genes, ha emergido recientemente como un tercer contendiente. Ofrece una tasa de disolución más lenta y controlada que el magnesio, el cual a veces puede disolverse demasiado rápido para ser útil. Sin embargo, para que el zinc se convierta en un material práctico para dispositivos médicos como suturas o alambres que mantienen unidos los tejidos, debe ser lo suficientemente fuerte como para mantener una fractura en su lugar, pero también lo suficientemente flexible como para ser doblado sin romperse. Durante años, los científicos han luchado por encontrar una versión del zinc que posea tanto fuerza como flexibilidad, encontrando a menudo que hacerlo más fuerte lo vuelve quebradizo.

Un equipo de investigadores se propuso resolver este enigma creando alambres delgados de zinc puro y de dos aleaciones basadas en zinc, una mezclada con una pequeña cantidad de magnesio y otra con magnesio y un toque de estroncio. No simplemente fundieron estos metales para darles forma; en su lugar, los forzaron a través de una abertura diminuta a alta temperatura en un proceso llamado extrusión directa. Este método exprime el metal con una presión inmensa, lo que cambia fundamentalmente cómo se disponen los diminutos cristales dentro del metal. El objetivo era ver si este proceso podía crear alambres que fueran tanto fuertes como capaces de soportar el doblado requerido para uso médico. Los resultados revelaron una historia compleja sobre cómo las diminutas partículas dentro del metal pueden hacerlo más fuerte, pero también cómo la propia naturaleza del zinc limita su capacidad para doblarse repetidamente.

Los investigadores comenzaron examinando la estructura interna de los alambres que produjeron. En el zinc puro, los cristales microscópicos, conocidos como granos, eran relativamente grandes, midiendo unos 36 micras. Cuando añadieron magnesio y estroncio, algo notable sucedió. Estos elementos formaron diminutas partículas duras dentro del metal que actuaron como semillas para que crecieran nuevos cristales. Este proceso, conocido como nucleación estimulada por partículas, fragmentó los granos grandes en otros mucho más pequeños. En la aleación de magnesio, los granos se redujeron a unos 7, y en la aleación de magnesio-estroncio, se volvieron aún más finos, hasta llegar a solo 3 micrómetros. Esta reducción en el tamaño del grano tuvo un efecto profundo en la resistencia. Mientras que el alambre de zinc puro podía soportar una fuerza de tracción de unos 119 megapascales antes de romperse, la aleación de magnesio podía manejar casi 291 megapascales, y la aleación de magnesio-estroncio pudo resistir 334 megapascales. La adición de estos elementos esencialmente convirtió al metal en un material mucho más resistente, capaz de soportar significativamente más peso.

Sin embargo, la fuerza es solo la mitad de la historia. Los investigadores también probaron cómo se comportaban estos alambres al estirarse y doblarse, prestando especial atención a cómo resistían a la temperatura corporal, que es de 37 grados Celsius. Al estirarse, el alambre de zinc puro mostró un patrón dentado, de tipo sierra, en su curva de esfuerzo, un signo de que se estaba deformando mediante un mecanismo llamado maclado, donde las capas de átomos se deslizan unas sobre otras en un movimiento repentino y brusco. Los alambres aleados se comportaron de manera diferente. La aleación de magnesio mostró una caída de esfuerzo única y aguda, mientras que la aleación de magnesio-estroncio se estiró más antes de romperse, alcanzando una elongación del 19 por ciento. Esta aleación fue la más dúctil, lo que significa que pudo estirarse más sin romperse. Los investigadores también comprobaron si los alambres cambiarían con el tiempo dejándolos a temperatura corporal durante 20 días. Encontraron que las propiedades mecánicas se mantuvieron notablemente estables, y que las diminutas partículas dentro del metal no crecieron ni cambiaron de una manera que debilitara el alambre.

El descubrimiento más sorprendente y desafiante surgió cuando el equipo probó la capacidad de los alambres para doblarse hacia adelante y hacia atrás, un requisito crítico para dispositivos que deben ser enhebrados a través del cuerpo o atados alrededor de los huesos. Sometieron los alambres a ciclos repetidos de doblado y enderezado. Los resultados fueron contundentes: las tres composiciones, incluyendo las aleaciones más fuertes y dúctiles, fallaron tras solo unos pocos dobleces. El alambre de zinc puro se agrietó en tres a seis ciclos, y las aleaciones no tuvieron mejor suerte, rompiéndose a menudo durante el tercer ciclo. Los investigadores utilizaron imágenes avanzadas para observar qué sucedía dentro del metal durante este proceso. Observaron un fenómeno llamado maclado y desmaclado. Cuando el alambre se doblaba, la estructura cristalina interna cambiaba a una nueva orientación para acomodar el esfuerzo. Cuando el alambre se enderezaba, los cristales volvían a su posición original. Mientras que este mecanismo permitió que el metal se doblara una vez, el doblado repetido creó puntos débiles y grietas que finalmente causaron la fractura del alambre.

Este estudio confirma que la extrusión directa es un método viable para crear alambres de zinc de grano fino y resistentes que sean estables a la temperatura corporal. La adición de magnesio y estroncio refinó con éxito la estructura interna del metal, aumentando su fuerza y ductilidad a niveles muy superiores a los del zinc puro. Sin embargo, la investigación también identifica un obstáculo fundamental. A pesar de las mejoras en la resistencia y la capacidad de estiramiento, los alambres todavía sufren de una baja resistencia al doblado cíclico. La incapacidad para soportar el doblado repetido parece ser una limitación intrínseca de la estructura cristalina del zinc, que depende fuertemente del maclado para deformarse. Si bien las aleaciones representan un paso significativo, los investigadores concluyen que, para que estos alambres se utilicen en dispositivos médicos que requieran doblado, como guías o suturas quirúrgicas, los científicos deben encontrar la manera de superar esta debilidad específica en la forma en que el metal responde al estrés repetido.