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

骨折した骨を固定している金属製のネジやプレートが、骨が治った後に手術で取り出す必要のない世界を想像してみてください。その代わりに、それらは体内で安全に溶け去り、何の痕跡も残しません。これは、マグネシウムや鉄を潜在的な候補として長年注目してきた分野である、生分解性金属が約束する未来です。私たちの体がすでに酵素の構築や遺伝子の調節に使用している必須栄養素である亜鉛は、近年、第三の候補として浮上してきました。亜鉛は、時に有用なレベルよりも早く溶けすぎてしまうことがあるマグネシウムよりも、ゆっくりとした制御された溶解率を提供します。しかし、亜鉛が縫合糸や組織を保持するワイヤーのような医療機器の実用的な材料となるためには、骨折部位を固定できる強さと、折れることなく形を変えられる柔軟性の両方を備えていなければなりません。長年、科学者たちは、強さと柔軟性の両方を兼ね備えたバージョンの亜鉛を見つけ出そうと苦闘してきました。強さを増すと脆くなってしまうという事実に、しばしば直面してきたのです。

研究チームは、純粋な亜鉛の細線と、少量のマグネシウムを混合したもの、およびマグネシウムと微量のストロンチウムを配合したものの2種類の亜鉛ベースの合金を作成することで、このパズルを解こうと試みました。彼らは単にこれらの金属を鋳造して形を作ったのではありません。代わりに、「ダイレクト押出（直接押出）」と呼ばれるプロセスを用いて、高温下で小さな開口部へと金属を押し通しました。この手法は、凄まじい圧力で金属を絞り出すものであり、これにより金属内部の微細な結晶の配列が根本的に変化します。目標は、このプロセスによって、強靭でありながら医療用途に必要な曲げにも耐えうるワイヤーを作れるかどうかを確認することでした。結果は、金属内部の微細な粒子がいかにして金属を強くするか、そして、いかにして亜能自体の性質が繰り返しの曲げを制限するかという、複雑な物語を明らかにしました。

研究者たちはまず、製造したワイヤーの内部構造の調査から始めました。純粋な亜鉛では、結晶として知られる微細な「粒（グレイン）」は比較的大きく、約36マイクロメートルでした。ここにマグネシウムとストロンチウムを加えると、驚くべきことが起こりました。これらの元素が金属内に硬い微細な粒子を形成し、それが新しい結晶が成長するための「種」として機能したのです。この「粒子刺激核生成（particle-stimulated nucleation）」と呼ばれるプロセスにより、大きな結晶が細かく砕かれました。マグネシウム合金では結晶は約7マイクロメートルに縮小し、マグネシウム・ストロンチウム合金ではさらに微細な3マイクロメートルにまで達しました。この結晶サイズの減少は、強度に多大な影響を及ぼしました。純粋な亜鉛のワイヤーは破断するまでに約119メガパスカルの引張力に耐えることができましたが、マグネシウム合金は291メガパスカル近くに耐え、マグネシウム・ストロンチウム合金は334メガパスカルにまで耐えることができました。これらの元素の添加は、本質的に金属をよりタフな材料へと変え、より大きな荷重を支えることを可能にしたのです。

しかし、強さは物語の半分に過ぎません。研究者たちは、ワイヤーが引き伸ばされた際にどのように振る舞うかをテストし、体温である37℃においてどのように維持されるかに細心の注意を払いました。引き伸ばされた際、純粋な亜還のワイヤーは、層状の原子が突然、ぎこちなく滑り落ちる「双晶（twinning）」と呼ばれるメカニズムを通じて変形することを示す、ギザギザの鋸歯状のパターンを示しました。合金化されたワイヤーは異なる挙動を示しました。マグネシウム合金は単一の鋭い応力降下を示しましたが、マグネシウム・ストロンチウム合金は最も長く伸び、19パーセントの伸びに達しました。この合金は最も延性が高く、つまり、折れることなく最も長く伸びることができました。また、研究者たちは、ワイヤーを体温で20日間放置することで、時間の経過とともに変化が生じるかどうかも確認しました。その結果、機械的特性は極めて安定しており、金属内部の微細な粒子がワイヤーを弱体化させるような成長や変化もしなかったことが判明しました。

最も驚くべき、かつ困難な発見は、研究チームがワイヤーの「曲げ」に対する能力をテストしたときでした。これは、体内を通過したり骨の周りに結んだりする必要があるデバイスにとって極めて重要な要件です。彼らはワイヤーに対して、曲げと伸ばしの繰り返しサイクルを課しました。結果は明白でした。最も強く、かつ延性に優れた合金を含むすべての組成が、わずか数回の曲げで破壊されました。純粋な亜鉛は3回から6回のサイクル内で亀裂が生じ、合金化されたワイヤーも同様に振る舞い、多くの場合、3回目のサイクルで破断しました。研究者たちは高度なイメージング技術を用いて、プロセス中に金属内部で何が起きているかを観察しました。そこで彼らは、「双晶形成と双晶消滅（twinning and detwinning）」と呼ばれる現象を目撃しました。ワイヤーを曲げると、内部の結晶構造がストレスに対応するために新しい配向へと反転します。そして、ワイヤーを真っ直に直すと、結晶は元の状態へと戻ります。このメカニズムによって、金属は一度であれば曲がることができましたが、この繰り返しの反転が弱点と亀裂を生み出し、最終的にワイヤーを破断させたのです。

この研究は、ダイレクト押出が、強靭で微細な結晶構造を持つ、体温下で安定した亜鉛ワイヤーを作るための実行可能な手法であることを裏付けています。マグネシウムとストロンチウムの添加は、金属の内部構造を精緻化することに成功し、純粋な亜鉛よりもはるかに優れたレベルまで強度と延性を高めました。しかし同時に、本研究は根本的な障壁も明らかにしました。強度と伸びる能力が向上したにもかかわらず、これらのワイヤーは繰り返しの曲げに対する抵抗力が低いという問題を依然として抱えています。繰り返しの曲げに対する耐性の欠如は、双晶形成に大きく依存している亜鉛の結晶構造に起因する固有の限界であると考えられます。合金化は大きな前進ではありますが、研究者たちは、ガイドワイヤーや外科用縫合糸のように曲げを必要とする医療機器に使用するためには、繰り返しのストレスに対する金属の反応におけるこの特定の弱点を克服する方法を見つけなければならないと結論付けています。