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

Imaginez un monde où les vis et les plaques métalliques maintenant les os brisés ne nécessitent pas d'être retirées chirurgicalement une fois l'os guéri. Au lieu de cela, elles se dissolvent en toute sécurité à l'intérieur du corps, ne laissant aucune trace derrière elles. C'est la promesse des métaux biodégradables, un domaine qui considère depuis longtemps le magnésium et le fer comme des candidats potentiels. Le zinc, un nutriment essentiel que nos corps utilisent déjà pour construire des enzymes et réguler les gènes, est récemment apparu comme un troisième prétendant. Il offre un taux de dissolution plus lent et plus contrôlé que le magnésium, qui peut parfois se dissoudre trop rapidement pour être utile. Cependant, pour que le zinc devienne un matériau pratique pour des dispositifs médicaux tels que des sutures ou des fils qui maintiennent les tissus ensemble, il doit être assez solide pour maintenir une fracture en place, tout en étant assez flexible pour être plié sans se casser. Pendant des années, les scientifiques ont lutté pour trouver une version du zinc qui possède à la fois force et flexibilité, constatant souvent que le rendre plus fort le rendait cassant.

Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission de résoudre ce casse-tête en créant des fils fins de zinc pur et de deux alliages à base de zinc, l'un mélangé à une petite quantité de magnésium et l'autre avec du magnésium et une touche de strontium. Ils n'ont pas simplement coulé ces métaux pour leur donner forme ; au lieu de cela, ils les ont forcés à travers une petite ouverture sous haute température via un processus appelé extrusion directe. Cette méthode comprime le métal avec une pression immense, ce qui modifie fondamentalement la façon dont les minuscules cristaux à l'intérieur du métal sont agencés. L'objectif était de voir si ce processus pouvait créer des fils qui soient à la fois résistants et capables de supporter la flexion requise pour un usage médical. Les résultats ont révélé une histoire complexe sur la manière dont les minuscules particules à l'intérieur du métal peuvent le rendre plus fort, mais aussi sur la façon dont la nature même du zinc limite sa capacité à se plier de manière répétée.

Les chercheurs ont commencé par examiner la structure interne des fils qu'ils ont produits. Dans le zinc pur, les cristaux microscopiques, appelés grains, étaient relativement grands, mesurant environ 36 micromètres. Lorsqu'ils ont ajouté du magnésium et du strontium, quelque chose de remarquable s'est produit. Ces éléments ont formé de minuscules particules dures à l'intérieur du métal qui ont agi comme des germes pour la croissance de nouveaux cristaux. Ce processus, connu sous le nom de nucléation stimulée par les particules, a fragmenté les gros grains en grains beaucoup plus petits. Dans l'alliage de magnésium, les grains ont rétréci à environ 7 micromètres, et dans l'alliage magnésium-strontium, ils sont devenus encore plus fins, atteignant seulement 3 micromètres. Cette réduction de la taille des grains a eu un effet profond sur la résistance. Alors que le fil de zinc pur pouvait supporter une force de traction d'environ 119 mégapascals avant de rompre, l'alliage de magnésium pouvait supporter près de 291 mégapascals, et l'alliage magnésium-strontium pouvait endurer 334 mégapascals. L'ajout de ces éléments a essentiellement transformé le métal en un matériau beaucoup plus robuste, capable de supporter un poids nettement plus important.

Cependant, la force n'est que la moitié de l'histoire. Les chercheurs ont également testé le comportement de ces fils lorsqu'ils sont étirés et pliés, en portant une attention particulière à la façon dont ils se maintiennent à la température corporelle, soit 37 degrés Celsius. Lors de l'étirement, le fil de zinc pur a montré un motif en dents de scie irrégulier dans sa courbe de contrainte, signe qu'il se déformait par un mécanisme appelé maclage, où les couches d'atomes glissent les unes sur les autres dans un mouvement soudain et saccadé. Les fils alliés se sont comportés différemment. L'alliage de magnésium a présenté une chute de contrainte unique et nette, tandis que l'alliage magnésium-strontium s'est étiré le plus loin avant de rompre, atteignant un allongement de 19 %. Cet alliage était le plus ductile, ce qui signifie qu'il pouvait s'étirer le plus sans se casser. Les chercheurs ont également vérifié si les fils changeraient au fil du temps en les laissant à température corporelle pendant 20 jours. Ils ont constaté que les propriétés mécaniques restaient remarquablement stables, et que les minuscules particules à l'intérieur du métal ne croissaient pas ou ne changeaient pas d'une manière qui aurait affaibli le fil.

La découverte la plus surprenante et la plus difficile est survenue lorsque l'équipe a testé la capacité des fils à être pliés d'avant en arrière, une exigence critique pour les dispositifs qui doivent être introduits dans le corps ou noués autour des os. Ils ont soumis les fils à des cycles répétés de flexion et de redressement. Les résultats sont sans appel : les trois compositions, y compris les alliages les plus résistants et les plus ductiles, ont échoué après seulement quelques pliages. Le fil de zinc pur s'est fissuré en trois à six cycles, et les fils alliés n'ont pas fait mieux, se rompant souvent lors du troisième cycle. Les chercheurs ont utilisé l'imagerie avancée pour observer ce qui se passait à l'intérieur du métal durant ce processus. Ils ont observé un phénomène de maclage et de démaclage. Lorsque le fil était plié, la structure cristalline interne basculait vers une nouvelle orientation pour accommoder la contrainte. Lorsque le fil était redressé, les cristaux basculaient à nouveau. Bien que ce mécanisme ait permis au métal de se plier une fois, les basculements répétés ont créé des points faibles et des fissures qui ont fini par provoquer la rupture du fil.

Cette étude confirme que l'extrusion directe est une méthode viable pour créer des fils de zinc résistants, à grains fins, qui sont stables à la température corporelle. L'ajout de magnésium et de strontium a réussi à affiner la structure interne du métal, augmentant sa résistance et sa ductilité à des niveaux bien supérieurs à ceux du zinc pur. Pourtant, la recherche identifie également un obstacle fondamental. Malgré les améliorations de la force et de la capacité d'étirement, les fils souffrent toujours d'une faible résistance aux pliages répétés. L'incapacité à supporter des cycles de flexion semble être une limitation intrinsèque de la structure cristalline du zinc, qui repose largement sur le maclage pour se déformer. Bien que les alliages constituent une étape importante, les chercheurs concluent que pour que ces fils puissent être utilisés dans des dispositifs médicaux nécessitant de la flexion, tels que des fils-guides ou des sutures chirurgicales, les scientifiques doivent trouver un moyen de surmonter cette faiblesse spécifique dans la façon dont le métal réagit aux contraintes répétées.