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

Immaginate un mondo in cui le viti e le piastre metalliche che tengono insieme le ossa rotte non debbano essere rimosse chirurgicamente dopo la guarigione dell'osso. Invece, si dissolvono in modo sicuro all'interno del corpo, senza lasciare alcuna traccia. Questa è la promessa dei metalli biodegradabili, un campo che da tempo guarda al magnesio e al ferro come potenziali candidati. Lo zinco, un nutriente essenziale che i nostri corpi utilizzano già per costruire enzimi e regolare i geni, è recentemente emerso come un terzo contendente. Esso offre un tasso di dissoluzione più lento e controllato rispetto al magnesio, il quale può talvolta dissolversi troppo velocemente per essere utile. Tuttavia, affinché lo zinco diventi un materiale pratico per dispositivi medici come suture o fili che tengono insieme i tessuti, deve essere abbastanza forte da mantenere una frattura in posizione, ma anche abbastanza flessibile da essere piegato senza spezzarsi. Per anni, gli scienziati hanno lottato per trovare una versione dello zinco che possedesse sia forza che flessibilità, scoprendo spesso che renderlo più forte lo rendeva fragile.

Un team di ricercatori si è posto l'obiettivo di risolvere questo enigma creando fili sottili di zinco puro e di due leghe a base di zinco, una miscelata con una piccola quantità di magnesio e l'altra con magnesio e un tocco di stronzio. Non si sono limitati a colare questi metalli nella forma desiderata; invece, li hanno forzati attraverso una minuscola apertura ad alto calore in un processo chiamato estrusione diretta. Questo metodo schiaccia il metallo con una pressione immensa, il che cambia fondamentalmente il modo in cui i minuscoli cristalli all'interno del metallo sono disposti. L'obiettivo era vedere se questo processo potesse creare fili che fossero sia forti che capaci di resistere alla flessione richiesta per l'uso medico. I risultati hanno rivelato una storia complessa su come le minuscole particelle all'interno del metallo possano renderlo più forte, ma anche su come la natura stessa dello zinco ne limiti la capacità di piegarsi ripetutamente.

I ricercatori hanno iniziato esaminando la struttura interna dei fili prodotti. Nello zinco puro, i cristalli microscopici, noti come grani, erano relativamente grandi, misurando circa 36 micrometri. Quando hanno aggiunto magnesio e stronzio, accadde qualcosa di straordinario. Questi elementi hanno formato minuscole particelle dure all'interno del metallo che hanno agito come semi per la crescita di nuovi cristalli. Questo processo, noto come nucleazione stimolata da particelle, ha frantumato i grani grandi in grani molto più piccoli. Nella lega di magnesio, i grani si sono rimpiccioliti a circa 7 micrometri, e nella lega magnesio-stronzio, sono diventati ancora più fini, arrivando a soli 3 micrometri. Questa riduzione della dimensione dei grani ha avuto un effetto profondo sulla forza. Mentre il filo di zinco puro poteva resistere a una forza di trazione di circa 119 megapascal prima di rompersi, la lega di magnesio poteva sopportare quasi 291 megapascal, e la lega magnesio-stronzio poteva resistere a 334 megapascal. L'aggiunta di questi elementi ha essenzialmente trasformato il metallo in un materiale molto più resistente, capace di sostenere un peso significativamente maggiore.

Tuttavia, la forza è solo metà della storia. I ricercatori hanno anche testato come questi fili si comportavano quando venivano tesi e piegati, prestando particolare attenzione a come resistevano alla temperatura corporea, ovvero 37 gradi Celsius. Quando tesi, il filo di zinco puro mostrava un pattern a denti di sega irregolare nella sua curva di sforzo, un segno che si stava deformando attraverso un meccanismo chiamato geminazione, in cui gli strati di atomi scorrono l'uno sull'altro in un movimento improvviso e sussultorio. I fili legati si comportavano diversamente. La lega di magnesio mostrava un singolo calo netto dello sforzo, mentre la lega magnesio-stronzio si è allungata maggiormente prima di rompersi, raggiungendo un allungamento del 19 percento. Questa lega era la più duttile, il che significa che poteva allungarsi di più senza spezzarsi. I ricercatori hanno anche controllato se i fili sarebbero cambiati nel tempo lasciandoli alla temperatura corporea per 20 giorni. Hanno scoperto che le proprietà meccaniche rimanevano sorprendentemente stabili e che le minuscole particelle all'interno del metallo non crescevano o cambiavano in modo tale da indebolire il filo.

La scoperta più sorprendente e impegnativa è arrivata quando il team ha testato la capacità dei fili di essere piegati avanti e indietro, un requisito critico per dispositivi che devono essere infilati nel corpo o legati attorno alle ossa. Hanno sottoposto i fili a cicli ripetuti di piegamento e raddrizzamento. I risultati sono stati netti: tutte e tre le composizioni, incluse le leghe più forti e duttili, hanno ceduto dopo solo pochi piegamenti. Il filo di zinco puro si è crepato entro tre o sei cicli, e i fili legati non sono andati meglio, rompendosi spesso durante il terzo ciclo. I ricercatori hanno utilizzato tecniche di imaging avanzate per osservare cosa accadeva all'interno del metallo durante questo processo. Hanno osservato un fenomeno chiamato geminazione e determinazione. Quando il filo veniva piegato, la struttura cristallina interna cambiava orientamento per accomodare lo sforzo. Quando il filo veniva raddrizzato, i cristalli tornavano alla posizione originale. Sebbene questo meccanismo permettesse al metallo di piegarsi una volta, i continui cambi di orientamento creavano punti deboli e crepe che alla fine causavano la frattura del filo.

Questo studio conferma che l'estrusione diretta è un metodo praticabile per creare fili di zinco forti e a grana fine che siano stabili alla temperatura corporea. L'aggiunta di magnesio e stronzio ha avuto successo nel raffinare la struttura interna del metallo, aumentando la sua forza e duttilità a livelli molto superiori allo zinco puro. Eppure, la ricerca identifica anche un ostacolo fondamentale. Nonostante i miglioramenti nella forza e nella capacità di allungamento, i fili soffrono ancora di una scarsa resistenza al piegamento ciclico. L'incapacità di resistere al piegamento ripetuto sembra essere un limite intrinseco della struttura cristallina dello zinco, che si affida pesantemente alla geminazione per deformarsi. Sebbene le leghe rappresentino un passo avanti significativo, i ricercatori concludono che, affinché questi fili possano essere utilizzati in dispositivi medici che richiedono flessibilità, come guidewire o suture chirurgiche, gli scienziati devono trovare un modo per superare questa specifica debolezza nel modo in cui il metallo risponde allo stress ripetuto.