Una classe di biomateriali chiamati vetri metallici sfusi potrebbe trasformare i futuri dispositivi medici impiantati e altri oggetti ingegnerizzati.

articolazioni artificiali, stent dei vasi sanguigni, viti ossee, e altri oggetti impiantati, strumenti cruciali per aiutare i pazienti, comportano rischi legati ai materiali di cui sono fatti. Valvole e stent, Per esempio, può provocare una reazione infiammatoria che porta a una coagulazione mortale. Le sostituzioni articolari possono allentarsi gradualmente e richiedere la sostituzione. E qualsiasi impianto può causare infezioni.

Tali dispositivi comportano compromessi ingegneristici:utilità contro i punti di forza e di debolezza dei loro materiali componenti. Ma una classe di biomateriali chiamati vetri metallici sfusi potrebbe trasformare quel calcolo per futuri dispositivi medici impiantati, così come per una miriade di altri oggetti ingegnerizzati. Non trovato da nessun'altra parte in natura, queste nuove leghe possono superare molti problemi ostinati associati agli impianti odierni.

Brillante, grigio, e flessibile, i vetri metallici sfusi assomigliano ai metalli ordinari ma sono più forti e più duri dell'acciaio. Sono atossici e resistono alla corrosione e all'usura, rendendoli adatti a dimorare all'interno del corpo. Sono abbastanza elastici da cambiare forma e tornare indietro con facilità. E sono facilmente modellabili.

"Generalmente, la lavorazione dei metalli è un grande dolore. È un po' scioccante, anche la stampa 3D di metalli è un grande dolore, " dice lo scienziato dei materiali Jan Schroers, dottorato di ricerca, professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali. "I vetri metallici hanno questa capacità di essere formati come la plastica."

Per esempio, quando riscaldato a temperature raggiungibili in un forno da cucina, un vetro metallico sfuso a base di platino si ammorbidisce fino a quello che Schroers descrive come la consistenza del miele refrigerato. "Non si deforma da solo sotto il suo stesso peso, ma è abbastanza morbido [che con modesta] forza puoi deformarlo, " dice Schroer.

In una collaborazione tra campus in cui il personale di laboratorio apprende sia le tecniche metallurgiche che quelle del laboratorio umido, Schroers e Themis Kyriakides, dottorato di ricerca, professore associato di patologia e ingegneria biomedica presso la Yale School of Engineering and Applied Science, stanno esplorando come i vetri metallici sfusi si comportano come biomateriali.

Per una cosa, i materiali sono in gran parte innocui per le cellule di mammifero ma ostili ai batteri. Questa proprietà potrebbe renderli utili come rivestimento antibatterico su articolazioni artificiali, strumenti chirurgici, o maniglie delle porte dell'ospedale.

Gli occhiali metallici possono anche esercitare un effetto simile a quello dei farmaci. Quando le cellule interagiscono con le superfici di corpi estranei impiantati, possono seguire la via dell'infiammazione e del rigetto, o in alternativa, verso una risposta simile alla riparazione più desiderabile. Il percorso scelto dalle cellule dipende in parte dalle più piccole caratteristiche della superficie dell'oggetto:la sua nanotopografia. Queste irregolarità superficiali attraggono le proteine ​​vicine, che a loro volta influenzano le cellule che passano in vari modi. Kyriakides e Schroers possono manipolare questi comportamenti cellulari modellando modelli specifici sulla superficie di un vetro metallico.

"Possiamo comporre qualsiasi cosa vogliamo creare in termini di superficie:potrebbero essere nanomodelli, potrebbero essere porosi, " Dice Kyriakides. "Queste sono [abilità] che di solito sono limitate ai polimeri, e possiamo farlo con i metalli."

Questo da solo rende gli occhiali metallici sfusi "una fantastica cassetta degli attrezzi, " Dice Schroers. "È possibile progettare risposte cellulari desiderabili per un'applicazione specifica".

Una di queste applicazioni potrebbe essere uno stent dell'arteria coronaria. Molti stent oggi sul mercato sono impregnati di un farmaco che si diffonde nel corpo nel tempo per prevenire la coagulazione e la formazione di depositi fibrosi. Ma uno stent di vetro metallico sfuso con la giusta nanotopografia potrebbe esercitare un effetto simile, eliminando la necessità di un farmaco.

In ortopedia, leghe a base di calcio, magnesio, e il fosforo può gradualmente disintegrarsi nel corpo, una proprietà utile per alcuni tipi di hardware osseo. I vetri metallici sfusi possono anche essere formati come resistenti, schiume leggere - immaginate una spugna solidificata - la cui densità corrisponde a quella dell'osso. Questa somiglianza è importante perché gli impianti articolari convenzionali tendono ad essere più rigidi dell'osso e assorbono troppo impatto, permettendo all'osso circostante di atrofizzarsi dal disuso e provocando un allentamento, giunto malfunzionante. Un impianto realizzato con una schiuma di vetro metallica potrebbe evitare queste complicazioni.

Con il termine vetro si indica un materiale i cui atomi sono disposti secondo uno schema irregolare non cristallino, e che reagisce al riscaldamento diventando viscoso. Per l'occhio e la mano, gli occhiali metallici sembrano identici al metallo ordinario. Ma la struttura atomica degli oggetti metallici familiari è cristallina, composto da file di atomi legati in un reticolo. I vetri metallici sono più simili a un liquido in cui atomi omogenei che si muovono caoticamente sono stati congelati nel tempo.

Questa omogeneità porta grandi vantaggi. I cristalli delle leghe metalliche ordinarie si incontrano lungo innumerevoli bordi microscopici chiamati bordi di grano, che sono vulnerabili allo scivolamento e alla corrosione. Al contrario, i vetri metallici sono amorfi, omogeneo, e uniforme in tutte le direzioni in tutto, rendendo più difficile per i processi corrosivi prendere piede.

Gli occhiali metallici sfusi sono un materiale nuovo di zecca, secondo Schroers. Sul nostro pianeta, almeno, la co-occorrenza di diversi elementi metallici in un materiale riscaldato che viene bruscamente raffreddato per formare un vetro ha pochi o nessun precedente. (L'analogo più vicino è il vetro vulcanico, che consiste principalmente di silicio e ossigeno, non metalli.)

Abbastanza stranamente, le cellule sopravvivono e prosperano sui nuovi materiali esotici. Sembrano particolarmente a loro agio su leghe basate sul costoso elemento platino, secondo Kyriakides:"Le nostre cellule hanno un gusto piuttosto costoso, " scherza.

Nel 2014, Schroers ha fondato una società, metalli supercool, basato sulla sua tecnica brevettata di proprietà di Yale per modellare vetri metallici sfusi che possono essere utilizzati in operazioni di produzione modificate tipicamente utilizzate nella lavorazione della plastica.

"[Abbiamo] commercializzato la capacità di creare forme molto complicate che non puoi realizzare con nessun altro processo, in questo materiale che è molto attraente per una vasta gamma di applicazioni, " dice. L'azienda sta lavorando con la NASA per sviluppare parti per robot e satelliti, e ha sviluppato una custodia per cellulare con pulsanti flessibili incorporati che possono consentire lo sviluppo di telefoni impermeabili. Supercool Metals produce anche minuscoli componenti per orologi di fascia alta.

Gli occhiali metallici sfusi non sono ancora pronti per l'uso biomedico, ma potrebbe non volerci molto prima che lo siano. Nel 2017, Kyriakides e Schroers hanno costruito un sensore di glucosio da un vetro metallico sfuso a base di platino che è molto più preciso dei sensori convenzionali. Kyriakides stima che un tale sensore potrebbe essere sviluppato per uso clinico entro cinque anni.

"Speriamo che quando le persone vedranno i nostri risultati, possono essere entusiasti di utilizzare questi materiali, " Dice Kyriakides. "Abbiamo appena scalfito la superficie."