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

Imagine um mundo onde os parafusos e placas de metal que seguram ossos quebrados não precisam ser removidos cirurgicamente após a cura do osso. Em vez disso, eles se dissolvem com segurança dentro do corpo, sem deixar vestígios. Este é o promessa dos metais biodegradáveis, um campo que há muito tempo observa o magnésio e o ferro como potenciais candidatos. O zinco, um nutriente essencial que nossos corpos já utilizam para construir enzimas e regular genes, surgiu recentemente como um terceiro competidor. Ele oferece uma taxa de dissolução mais lenta e controlada do que o magnésio, que às vezes pode se dissolver rápido demais para ser útil. No entanto, para que o zinco se torne um material prático para dispositivos médicos, como suturas ou fios que mantêm os tecidos unidos, ele deve ser forte o suficiente para manter uma fratura no lugar, mas flexível o suficiente para ser moldado sem quebrar. Durante anos, cientistas lutaram para encontrar uma versão do zinco que possuísse tanto força quanto flexibilidade, frequentemente descobrindo que torná-lo mais forte o tornava quebradiço.

Uma equipe de pesquisadores partiu para resolver esse enigma criando fios finos de zinco puro e duas ligas à base de zinco, uma misturada com uma pequena quantidade de magnésio e outra com magnésio e um toque de estrôncio. Eles não simplesmente moldaram esses metais, mas sim os forçaram através de uma abertura minúscula sob alto calor em um processo chamado extrusão direta. Este método espreme o metal com uma pressão imensa, o que altera fundamentalmente como os minúsculos cristais dentro do metal estão arranjados. O objetivo era ver se esse processo poderia criar fios que fossem simultaneamente fortes e capazes de suportar a flexão necessária para uso médico. Os resultados revelaram uma história complexa de como pequenas partículas dentro do metal podem torná-lo mais forte, mas também de como a própria natureza do zinco limita sua capacidade de dobrar repetidamente.

Os pesquisadores começaram examinando a estrutura interna dos fios que produziram. No zinco puro, os cristais microscópicos, conhecidos como grãos, eram relativamente grandes, medindo cerca de 36 micrômetros. Quando adicionaram magnésio e estrôncio, algo notável aconteceu. Esses elementos formaram minúsculas partículas duras dentro do metal que atuaram como sementes para o crescimento de novos cristais. Esse processo, conhecido como nucleação estimulada por partículas, despedaçou os grandes grãos em grãos muito menores. Na liga de magnésio, os grãos encolheram para cerca de 7 micrômetros e, na liga de magnésio-estroncio, tornaram-se ainda mais finos, chegando a apenas 3 micrômetros. Essa redução no tamanho do grão teve um efeito profundo na resistência. Enquanto o fio de zinco puro podia suportar uma força de tração de cerca de 119 megapascais antes de romper, a liga de magnésio podia suportar quase 291 megapascais, e a liga de magnésio-estroncio podia suportar 334 megapascais. A adição desses elementos essencialmente transformou o metal em um material muito mais robusto, capaz de suportar significativamente mais peso.

No entanto, a força é apenas metade da história. Os pesquisadores também testaram como esses fios se comportavam quando esticados e dobrados, prestando atenção especial em como se mantinham à temperatura corporal, que é de 37 graus Celsius. Ao serem esticados, o fio de zinco puro mostrou um padrão serrilhado, em forma de dente de serra, em sua curva de tensão, um sinal de que estava se deformando através de um mecanismo chamado maclação, onde camadas de átomos deslizam umas sobre as outras em um movimento súbito e brusco. Os fios de liga se comportaram de forma diferente. A liga de magnésio mostrou uma queda única e nítida na tensão, enquanto a liga de magnésio-estroncio esticou-se ao máximo antes de romper, atingindo um alongamento de 19 por cento. Esta liga foi a mais dúctil, o que significa que pôde esticar mais sem quebrar. Os pesquisadores também verificaram se os fios mudariam ao longo do tempo, deixando-os à temperatura corporal por 20 dias. Eles descobriram que as propriedades mecânicas permaneceram notavelmente estáveis, e as minúsculas partículas dentro do metal não cresceram ou mudaram de uma forma que enfraquecesse o fio.

A descoberta mais surpreendente e desafiadora ocorreu quando a equipe testou a capacidade dos fios de serem dobrados para frente e para trás, um requisito crítico para dispositivos que devem ser passados pelo corpo ou amarrados em torno de ossos. Eles submeteram os fios a ciclos repetidos de dobra e endireitamento. Os resultados foram drásticos: todas as três composições, incluindo as ligas mais fortes e dúcteis, falharam após apenas algumas dobras. O fio de zinco puro rachou dentro de três a seis ciclos, e os fios de liga não tiveram um desempenho melhor, muitas vezes quebrando durante o terceiro ciclo. Os pesquisadores usaram imagens avançadas para observar o que acontecia dentro do metal durante esse processo. Eles observaram um fenômeno chamado maclação e desmaclação. Quando o fio era dobrado, a estrutura cristalina interna mudava para uma nova orientação para acomodar a tensão. Quando o fio era endireitado, os cristais voltavam à posição original. Embora esse mecanismo permitisse que o metal dobrasse uma vez, a repetição desse movimento de virada criava pontos fracos e rachaduras que eventualmente causavam a fratura do fio.

Este estudo confirma que a extrusão direta é um método viável para criar fios de zinco fortes e de grãos finos que são estáveis à temperatura corporal. A adição de magnésio e estrôncio refinou com sucesso a estrutura interna do metal, aumentando sua força e ductilidade para níveis muito superiores ao zinco puro. No entanto, a pesquisa também identifica um obstáculo fundamental. Apesar das melhorias na força e na capacidade de estiramento, os fios ainda sofrem com a baixa resistência à dobra repetida. A incapacidade de suportar a dobra cíclica parece ser uma limitação intrínseca da estrutura cristalina do zinco, que depende fortemente da maclação para se deformar. Embora as ligas sejam um passo significativo, os pesquisadores concluem que, para que esses fios sejam usados em dispositivos médicos que exigem flexibilidade, como fios-guia ou suturas cirúrgicas, os cientistas devem encontrar uma maneira de superar essa fraqueza específica na forma como o metal responde ao estresse repetido.