Microstructure, tensile behavior and cyclic bendability of directly extruded biodegradable Zn, Zn-Mg and Zn-Mg-Sr wires
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि Zn-Mg और Zn-Mg-Sr मिश्र धातुओं का प्रत्यक्ष एक्सट्रूज़न शुद्ध जिंक की तुलना में अनाज की संरचना (grain structure) को महत्वपूर्ण रूप से परिष्कृत करता है और तनन सामर्थ्य (tensile strength) को बढ़ाता है, लेकिन यह भी प्रकट करता है कि ट्विनिंग-डिट्विनिंग तंत्र द्वारा संचालित खराब चक्रीय मोड़ योग्यता (cyclic bendability), झुकने-महत्वपूर्ण बायोमेडिकल उपकरणों के लिए उपयोग हेतु एक महत्वपूर्ण सीमा बनी हुई है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ टूटी हुई हड्डियों को जोड़ने वाले धातु के पेंच और प्लेटों को हड्डी ठीक होने के बाद सर्जरी द्वारा निकालने की आवश्यकता नहीं होती। इसके बजाय, वे शरीर के भीतर सुरक्षित रूप से घुल जाते हैं, और पीछे कोई निशान नहीं छोड़ते। यह बायोडिग्रेडेबल (जैव-अपघटनीय) धातुओं का वादा है, एक ऐसा क्षेत्र जिसने लंबे समय से मैग्नीशियम और आयरन को संभावित उम्मीदवारों के रूप में देखा है। जिंक, एक आवश्यक पोषक तत्व जिसका उपयोग हमारे शरीर पहले से ही एंजाइम बनाने और जीन को नियंत्रित करने के लिए करता है, हाल ही में तीसरे दावेदार के रूप में उभरा है। यह मैग्नीशियम की तुलना में अधिक धीमी और नियंत्रित विघटन दर प्रदान करता है, जो कभी-कभी उपयोगी होने से पहले ही बहुत तेज़ी से घुल सकता है। हालाँकि, जिंक को टांके या तारों जैसे चिकित्सा उपकरणों के लिए एक व्यावहारिक सामग्री बनने के लिए, जो ऊतकों को एक साथ पकड़ कर रखते हैं, इतना मजबूत होना चाहिए कि वह फ्रैक्चर को अपनी जगह पर बनाए रख सके और साथ ही इतना लचीला भी होना चाहिए कि बिना टूटे आकार में मोड़ा जा सके। वर्षों से, वैज्ञानिक जिंक का एक ऐसा संस्करण खोजने के लिए संघर्ष कर रहे हैं जिसमें मजबूती और लचीलापन दोनों हों, क्योंकि अक्सर वे पाते हैं कि इसे मजबूत बनाने से यह भंगुर (brittle) हो जाता है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने शुद्ध जिंक के पतले तार और दो जिंक-आधारित मिश्र धातुओं (alloys) को बनाकर इस पहेली को हल करने का प्रयास किया, जिनमें से एक में थोड़ी मात्रा में मैग्नीशियम मिलाया गया था और दूसरे में मैग्नीशियम और स्ट्रोंटियम का एक अंश मिलाया गया था। उन्होंने इन धातुओं को केवल सांचों में नहीं ढाला; इसके बजाय, उन्होंने उन्हें उच्च ताप पर एक सूक्ष्म छिद्र के माध्यम से 'डायरेक्ट एक्सट्रूज़न' नामक प्रक्रिया द्वारा धकेला। यह विधि धातु को अत्यधिक दबाव के साथ निचोड़ती है, जो मौलिक रूप से धातु के भीतर सूक्ष्म क्रिस्टल की व्यवस्था को बदल देती है। लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह प्रक्रिया ऐसे तार बना सकती है जो मजबूत भी हों और चिकित्सा उपयोग के लिए आवश्यक झुकने की क्षमता भी रखते हों। परिणामों ने यह खुलासा किया कि कैसे धातु के भीतर के सूक्ष्म कण इसे मजबूत बना सकते हैं, लेकिन यह भी कि जिंक की प्रकृति इसे बार-बार मुड़ने की क्षमता को कैसे सीमित करती है।
शोधकर्ताओं ने उत्पादित किए गए तारों की आंतरिक संरचना का परीक्षण करके शुरुआत की। शुद्ध जिंक में, सूक्ष्म क्रिस्टल, जिन्हें ग्रेन (grains) कहा जाता है, अपेक्षाकृत बड़े थे, जो लगभग 36 माइक्रोन के थे। जब उन्होंने मैग्नीशियम और स्ट्रोंटियम जोड़ा, तो कुछ उल्लेखनीय हुआ। इन तत्वों ने धातु के भीतर छोटे, कठोर कण बनाए जो नए क्रिस्टल के बढ़ने के लिए बीजों के रूप में कार्य करते हैं। 'पार्टिकल-स्टिम्युलेटेड न्यूक्लिएशन' (particle-stimulated nucleation) नामक इस प्रक्रिया ने बड़े ग्रेन्स को बहुत छोटे ग्रेन्स में तोड़ दिया। मैग्नीशियम मिश्र धातु में, ग्रेन्स सिकुड़कर लगभग 7 माइक्रोन रह गए, और मैग्नीशियम-स्ट्रोंटियम मिश्र धातु में, वे और भी महीन होकर मात्र 3 माइक्रोन तक पहुँच गए। ग्रेन के आकार में इस कमी का मजबूती पर गहरा प्रभाव पड़ा। जहाँ शुद्ध जिंक तार टूटने से पहले लगभग 119 मेगापास्कल का खिंचाव बल सह सकता था, वहीं मैग्नीशियम मिश्र धातु लगभग 291 मेगापास्कल और मैग्नीशियम-स्ट्रोंटियम मिश्र धातु 334 मेगापास्कल सहने में सक्षम थी। इन तत्वों के जुड़ने ने धातु को अनिवार्य रूप से एक बहुत अधिक कठिन सामग्री में बदल दिया, जो काफी अधिक भार उठाने में सक्षम है।
हालाँकि, मजबूती केवल आधी कहानी है। शोधकर्ताओं ने यह भी परीक्षण किया कि उनके तार खिंचने और मुड़ने पर कैसा व्यवहार करते हैं, और शरीर के तापमान, यानी 3ط 37 डिग्री सेल्सियस पर उनके प्रदर्शन पर विशेष ध्यान दिया। जब खींचा गया, तो शुद्ध जिंक तार ने अपने स्ट्रेस कर्व (stress curve) में एक टेढ़ा-मेढ़ा, आरी के दांत जैसा पैटर्न दिखाया, जो 'ट्विनिंग' (twinning) नामक तंत्र के माध्यम से विरूपण का संकेत है, जहाँ परमाणुओं की परतें अचानक और झटकेदार गति से एक-दूसरे के ऊपर फिसलती हैं। मिश्र धातु वाले तारों ने अलग व्यवहार किया। मैग्नीशियम मिश्र धातु ने तनाव में एक एकल, तीव्र गिरावट दिखाई, जबकि मैग्नीशियम-स्ट्रोंटियम मिश्र धातु टूटने से पहले सबसे अधिक खिंची, जो 19 प्रतिशत का दीर्घीकरण (elongation) तक पहुँची। यह मिश्र धातु सबसे अधिक तन्य (ductile) थी, जिसका अर्थ है कि यह बिना टूटे सबसे अधिक खिंच सकती थी। शोधकर्ताओं ने यह भी जाँच की कि क्या तार समय के साथ बदलेंगे, इसके लिए उन्होंने उन्हें 20 दिनों तक शरीर के तापमान पर छोड़ा। उन्होंने पाया कि यांत्रिक गुण उल्लेखनीय रूप से स्थिर रहे, और धातु के भीतर के सूक्ष्म कणों ने तार को कमजोर करने के तरीके से वृद्धि नहीं की या परिवर्तन नहीं किया।
सबसे आश्चर्यजनक और चुनौतीपूर्ण खोज तब आई जब टीम ने तारों की बार-बार मुड़ने की क्षमता का परीक्षण करने के लिए उन्हें परखा, जो उन उपकरणों के लिए एक महत्वपूर्ण आवश्यकता है जिन्हें शरीर के माध्यम से पिरोया जाना होता है या हड्डियों के चारों ओर बांधा जाना होता है। उन्होंने तारों को बार-बार मुड़ने और सीधा होने के चक्रों के अधीन किया। परिणाम स्पष्ट थे: तीनों संरचनाओं में से, सबसे मजबूत और सबसे तन्य मिश्र धातुओं सहित, कुछ ही बार मुड़ने के बाद विफल हो गए। शुद्ध जिंक तार तीन से छह चक्रों के भीतर टूट गया, और मिश्र धातु वाले तार भी इससे बेहतर नहीं रहे, जो अक्सर तीसरे चक्र के दौरान ही टूट गए। शोधकर्ताओं ने धातु के भीतर क्या होता है, यह देखने के लिए उन्नत इमेजिंग का उपयोग किया। उन्होंने 'ट्विनिंग और डिट्विनिंग' (twinning and detwinning) नामक घटना देखी। जब तार को मोड़ा गया, तो आंतरिक क्रिस्टल संरचना तनाव को समायोजित करने के लिए एक नई दिशा में बदल गई। जब तार को सीधा किया गया, तो क्रिस्टल वापस अपनी मूल स्थिति में आ गए। हालांकि इस तंत्र ने धातु को एक बार मुड़ने की अनुमति दी, लेकिन बार-बार होने वाले इस बदलाव ने कमजोर बिंदुओं और दरारों को जन्म दिया जिससे अंततः तार टूट गया।
यह अध्ययन पुष्टि करता है कि डायरेक्ट एक्सट्रूज़न मजबूत, महीन-दाने वाले जिंक तार बनाने के लिए एक व्यवहार्य विधि है जो शरीर के तापमान पर स्थिर रहते हैं। मैग्नीशियम और स्ट्रोंटियम के जुड़ने ने सफलतापूर्वक धातु की आंतरिक संरचना को परिष्कृत किया, जिससे इसकी मजबूती और तन्यता शुद्ध जिंक की तुलना में बहुत बेहतर स्तर तक बढ़ गई। फिर भी, यह शोध एक मौलिक बाधा की पहचान करता है। मजबूती और खिंचाव की क्षमता में सुधार के बावजूद, तार बार-बार मुड़ने के प्रति खराब प्रतिरोध दिखाते हैं। चक्रीय रूप से मुड़ने (cyclic bending) को सहन करने में असमर्थता जिंक की क्रिस्टल संरचना की एक अंतर्निहित सीमा प्रतीत होती है, जो विरूपण के लिए मुख्य रूप से ट्विनिंग पर निर्भर करती है। जबकि मिश्र धातुएं एक महत्वपूर्ण कदम हैं, शोधकर्ता निष्कर्ष निकालते हैं कि इन तारों को उन चिकित्सा उपकरणों के लिए उपयोग करने के लिए, जिन्हें गाइडवायर या सर्जिकल टांकों की तरह मोड़ने की आवश्यकता होती है, वैज्ञानिकों को बार-बार होने वाले तनाव के प्रति धातु की प्रतिक्रिया में इस विशिष्ट कमजोरी को दूर करने का तरीका खोजना होगा।
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