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

Stel je een wereld voor waarin de metalen schroeven en platen die gebroken botten bij elkaar houden, niet chirurgisch verwijderd hoeven te worden nadat het bot is genezen. In plaats daarvan lossen ze veilig op in het lichaam, zonder een spoor achter te laten. Dit is de belofte van biologisch afbreekbare metalen, een vakgebied dat al lang naar magnesium en ijzer kijkt als potentiële kandidaten. Zink, een essentieel nutriënt dat ons lichaam al gebruikt om enzymen op te bouwen en genen te reguleren, is onlangs opgekomen als een derde pretendent. Het biedt een langzamere, meer gecontroleerde oplossing van het metaal dan magnesium, dat soms te snel kan oplossen om nuttig te zijn. Echter, om zink een praktisch materiaal te maken voor medische hulpmiddelen zoals hechtingen of draden die weefsel bij elkaar houden, moet het sterk genoeg zijn om een breuk op zijn plaats te houden, maar tegelijkertijd flexibel genoeg om in vorm te worden gebogen zonder te breken. Jarenlang hebben wetenschappers geprobeerd een versie van zink te vinden die zowel kracht als flexibiliteit bezit, waarbij ze vaak ontdekten dat het sterker maken van het metaal het bros maakte.

Een team van onderzoekers zette zich schouder aan schouder om dit puzzelstuk op te lossen door dunne draden van puur zink en twee zinkgebaseerde legeringen te maken, één gemengd met een kleine hoeveelheid magnesium en een andere met magnesium en een vleugje strontium. Ze hebben deze metalen niet simpelweg in vorm gegoten; in plaats daarvan hebben ze ze onder hoge temperatuur door een kleine opening geperst, een proces dat directe extrusie wordt genoemd. Deze methie perst het metaal met enorme druk, wat de manier waarop de minuscule kristallen binnenin het metaal zijn gerangschikt fundamenteel verandert. Het doel was om te zien of dit proces draden kon creëren die zowel sterk als in staat waren om de buiging te weerstaan die vereist is voor medisch gebruik. De resultaten onthulden een complex verhaal over hoe minuscule deeltjes binnen het metaal het sterker kunnen maken, maar ook hoe de aard van zink zelf de mogelijkheid tot herhaaldelijk buigen beperkt.

De onderzoekers begonnen met het onderzoeken van de interne structuur van de geproduceerde draden. In puur zink waren de microscopische kristallen, ook wel korrels genoemd, relatief groot, ongeveer 36 micrometer. Toen ze magnesium en strontium toevoegden, gebeurde er iets opmerkelijks. Deze elementen vormden minuscule, harde deeltjes binnen het metaal die fungeerden als zaden voor de groei van nieuwe kristallen. Dit proces, bekend als deeltjesgestimuleerde nucleatie, verbrijzelde de grote korrels in veel kleinere korrels. In de magnesiumlegering krompen de korrels tot ongeveer 7 micrometer, en in de magnesium-strontiumlegering werden ze nog fijner, tot slechts 3 micrometer. Deze vermindering van de korrelgrootte had een diepgaand effect op de sterkte. Terwijl de pure zinkdraad een trekkracht van ongeveer 119 megapascal kon weerstaan voordat hij brak, kon de magnesiumlegering bijna 291 megapascal aan, en de magnesium-strontiumlegering kon zelfs 334 megapascal verdragen. De toevoeging van deze elementen veranderde het metaal in essentie in een veel taaier materiaal, in staat om aanzienlijk meer gewicht te ondersteunen.

Echter, sterkte is slechts de helft van het verhaal. De onderzoekers testten ook hoe deze draden zich gedroegen wanneer ze werden uitgerekt en gebogen, waarbij ze nauwlettend letten op hoe ze standhielden bij een lichaamstemperatuur van 37 graden Celsius. Wanneer ze werden uitgerekt, vertoonde de pure zinkdraad een grillig, zaagtandpatroon in de spanning-rekcurve, een teken dat het deformaat door een mechanisme genaamd twinning (tweelingvorming), waarbij lagen atomen over elkaar heen glijden in een plotselinge, schokkerige beweging. De gelegeerde draden gedroegen zich anders. De magnesiumlegering vertoonde één enkele, scherpe daling in spanning, terwijl de magnesium-strontiumlegering het verst rekte voordat hij brak, met een rek van 19 procent. Deze legering was de meest ductiele, wat betekent dat zij het meest kon uitrekken zonder te breken. De onderzoekers controleerden ook of de draden in de loop van de tijd zouden veranderen door ze 20 dagen op lichaamstemperatuur te laten. Ze vonden dat de mechanische eigenschappen opmerkelijk stabiel bleven, en de kleine deeltjes binnen het metaal groeiden of veranderden niet op een manier die de draad zou verzwakken.

De meest verrassende en uitdagende ontdekking kwam toen het team de bekwaamheid van de draden testte om heen en weer te buigen, een cruciale vereiste voor apparaten die door het lichaam moeten worden gehaald of rond botten moeten worden gebonden. Ze onderwierpen de draden aan herhaalde cycli van buigen en rechttrekken. De resultaten waren onverbiddelijk: alle drie de samenstellingen, inclus ook de sterkste en meest ductiele legeringen, faalden na slechts enkele buigingen. De pure zinkdraad barstte binnen drie tot zes cycli, en de gelegeerde draden deden er niet beter aan en braken vaak al tijdens de derde cyclus. De onderzoekers gebruikten geavanceerde beeldvorming om te observeren wat er binnen het metaal gebeurde tijdens dit proces. Ze observeerden een fenomeen genaamd twinning en detwinning. Wanneer de draad werd gebogen, veranderde de interne kristalstructuur in een nieuwe oriëntatie om de spanning op te vangen. Wanneer de draad werd rechtgetrokken, keerden de kristallen terug naar hun oorspronkelijke staat. Hoewel dit mechanisme het metaal in staat stelde om één keer te buigen, zorgde het herhaaldelijke 'flippen' voor zwakke plekken en scheuren die uiteindelijk leidden tot breuk van de draad.

Dit onderzoek bevestigt dat directe extrusie een levensvatbare methode is voor het creëren van sterke, fijnkorrelige zinkdraden die stabiel zijn bij lichaamstemperatuur. De toevoeging van magnesium en strontium slaagde erin de interne structuur van het metaal te verfijnen, waardoor de sterkte en ductiliteit werden verhoogd naar niveaus die ver boven die van puur zink liggen. Toch identificeert het onderzoek ook een fundamentele hindernis. Ondanks de verbeteringen in sterkte en rekbaarheid, lijden de draden nog steeds onder een slecht weerstandsvermogen tegen herhaaldelijk buigen. Het onvermogen om cyclisch buigen te weerstaan, lijkt een intrinsieke beperking te zijn van de kristalstructuur van zink, die sterk leunt op twinning om te vervormen. Hoewel de legeringen een belangrijke stap voorwaarts zijn, concluderen de onderzoekers dat voor deze draden om gebruikt te worden in medische hulpmiddelen die buiging vereisen, zoals geleidingsdraden of chirurgische hechtingen, wetenschappers een manier moeten vinden om deze specifieke zwakte in de manier waarop het metaal op herhaalde spanning reageert, te overwinnen.