Een klasse van biomaterialen die bulkmetallische glazen worden genoemd, zou toekomstige geïmplanteerde medische apparaten en andere geconstrueerde objecten kunnen transformeren.

Kunstmatige gewrichten, stents van bloedvaten, bot schroeven, en andere geïmplanteerde objecten - cruciale hulpmiddelen om patiënten te helpen - dragen risico's in verband met de materialen waarvan ze zijn gemaakt. Kleppen en stents, bijvoorbeeld, kan een ontstekingsreactie veroorzaken die leidt tot dodelijke stolling. Gewrichtsvervangingen kunnen geleidelijk losraken en moeten worden vervangen. En elk implantaat kan een infectie veroorzaken.

Dergelijke apparaten brengen technische afwegingen met zich mee:bruikbaarheid versus de sterke en zwakke punten van hun samenstellende materialen. Maar een klasse van biomaterialen die bulkmetalen glazen worden genoemd, zou die calculus kunnen transformeren voor toekomstige geïmplanteerde medische apparaten, evenals voor een groot aantal andere geconstrueerde objecten. Nergens anders in de natuur gevonden, deze nieuwe legeringen kunnen veel hardnekkige problemen oplossen die verband houden met de huidige implantaten.

Glimmend, grijs, en buigzaam, bulk metalen glazen lijken op gewone metalen, maar zijn sterker en harder dan staal. Ze zijn niet giftig en bestand tegen corrosie en slijtage, waardoor ze goed geschikt zijn om in het lichaam te verblijven. Ze zijn elastisch genoeg om van vorm te veranderen en gemakkelijk terug te veren. En ze zijn gemakkelijk te vormen.

"Gebruikelijk, metalen verwerking is een grote pijn. Het is nogal schokkend - zelfs 3D-printen van metalen is een grote pijn, " zegt materiaalwetenschapper Jan Schroers, doctoraat, hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde. "Metalen glazen hebben dit vermogen om te worden gevormd als plastic."

Bijvoorbeeld, bij verhitting tot temperaturen die haalbaar zijn in een keukenoven, een op platina gebaseerd bulkmetaalglas wordt zachter tot wat Schroers beschrijft als de consistentie van gekoelde honing. "Het vervormt niet echt vanzelf onder zijn eigen gewicht, maar het is zacht genoeg [dat je het met bescheiden] kracht kunt vervormen, ', zegt Schroers.

In een cross-campus samenwerking waarbij hun laboratoriumpersoneel zowel metallurgische als natte laboratoriumtechnieken leert, Schroers en Themis Kyriakides, doctoraat, universitair hoofddocent pathologie en biomedische technologie aan de Yale School of Engineering and Applied Science, onderzoeken hoe bulkmetalen glazen presteren als biomaterialen.

Voor een ding, de materialen zijn grotendeels onschadelijk voor zoogdiercellen en toch vijandig voor bacteriën. Deze eigenschap kan ze nuttig maken als antibacteriële coating op kunstmatige gewrichten, chirurgische instrumenten, of deurknoppen van het ziekenhuis.

Metalen glazen kunnen ook een medicinaal effect hebben. Wanneer cellen interageren met de oppervlakken van geïmplanteerde vreemde lichamen, ze kunnen het pad van ontsteking en afstoting inslaan, Of anders, naar een meer wenselijke reparatie-achtige reactie. Welk pad de cellen kiezen, hangt gedeeltelijk af van de kleinste oppervlaktekenmerken van het object:de nanotopografie. Deze onregelmatigheden aan het oppervlak trekken nabijgelegen eiwitten aan, die op hun beurt de passerende cellen op verschillende manieren beïnvloeden. Kyriakides en Schroers kunnen dit celgedrag manipuleren door specifieke patronen op het oppervlak van een metalen glas te vormen.

"We kunnen inbellen wat we willen creëren in termen van het oppervlak - ze kunnen een nanopatroon hebben, ze kunnen poreus zijn, " zegt Kyriakides. "Dit zijn [vaardigheden] die meestal beperkt zijn tot polymeren, en we kunnen het doen met metalen."

Dat alleen al maakt bulk metalen glazen "een fantastische gereedschapskist, " zegt Schroers. "Je kunt cellulaire reacties ontwerpen die wenselijk zijn voor een specifieke toepassing."

Een dergelijke toepassing zou een kransslagaderstent kunnen zijn. Veel stents die tegenwoordig op de markt zijn, zijn geïmpregneerd met een medicijn dat na verloop van tijd in het lichaam diffundeert om stolling en vorming van vezelachtige afzettingen te voorkomen. Maar een bulk metalen glazen stent met de juiste nanotopografie zou een soortgelijk effect kunnen hebben, het elimineren van de noodzaak van een medicijn.

In de orthopedie, legeringen gemaakt van calcium, magnesium, en fosfor kan geleidelijk in het lichaam uiteenvallen, een nuttige eigenschap voor sommige soorten bothardware. Bulk metalen glazen kunnen ook zo sterk worden gevormd, lichte schuimen - stel je een gestolde spons voor - waarvan de dichtheid overeenkomt met die van bot. Die overeenkomst is belangrijk omdat conventionele gewrichtsimplantaten vaak stijver zijn dan bot en te veel impact absorberen, waardoor het omliggende bot atrofiseert door onbruik, wat resulteert in een los, slecht functionerend gewricht. Een implantaat gemaakt van een metallisch glasschuim zou die complicaties kunnen voorkomen.

De term glas verwijst naar een materiaal waarvan de atomen zijn gerangschikt in een onregelmatig niet-kristallijn patroon, en die op verwarming reageert door viskeus te worden. Voor het oog en de hand, metalen glazen zien er hetzelfde uit als gewoon metaal. Maar de atomaire structuur van bekende metalen voorwerpen is kristallijn, bestaande uit rijen atomen gebonden in een rooster. Metalen glazen zijn meer een vloeistof waarin chaotisch bewegende homogene atomen in de tijd zijn bevroren.

Die homogeniteit brengt grote voordelen met zich mee. De kristallen van gewone metaallegeringen ontmoeten elkaar langs talloze microscopisch kleine randen die korrelgrenzen worden genoemd. die gevoelig zijn voor slippen en corrosie. Daarentegen, metalen glazen zijn amorf, homogeen, en overal uniform in alle richtingen, waardoor het moeilijker wordt voor corrosieve processen om voet aan de grond te krijgen.

Bulk metalen glazen zijn een gloednieuw materiaal, volgens Schroers. Op onze planeet, minstens, het gelijktijdig voorkomen van verschillende metalen elementen in een verwarmd materiaal dat abrupt wordt afgekoeld om een ​​glas te vormen, heeft weinig of geen precedent. (De dichtstbijzijnde analoog is vulkanisch glas, die voornamelijk uit silicium en zuurstof bestaat, geen metalen.)

Gek genoeg, cellen overleven en gedijen op de nieuwe exotische materialen. Ze lijken vooral thuis op legeringen op basis van het dure element platina, volgens Kyriakides:"Onze cellen hebben een behoorlijk dure smaak, " grapt hij.

In 2014, Schroers richtte een bedrijf op, Supercoole metalen, gebaseerd op zijn gepatenteerde techniek die eigendom is van Yale voor het vormen van metalen bulkglazen die kunnen worden gebruikt in aangepaste productieprocessen die doorgaans worden gebruikt bij de verwerking van kunststoffen.

"[We hebben] de mogelijkheid gecommercialiseerd om zeer gecompliceerde vormen te maken die je met geen enkel ander proces kunt maken, in dit materiaal dat zeer aantrekkelijk is voor een groot aantal toepassingen, " zegt hij. Het bedrijf werkt samen met NASA om onderdelen voor robots en satellieten te ontwikkelen, en heeft een telefoonhoesje ontwikkeld met ingebouwde flexibele knoppen die de ontwikkeling van waterdichte telefoons mogelijk maken. Supercool Metals maakt ook kleine onderdelen voor high-end horloges.

Bulk metalen glazen zijn nog niet klaar voor biomedisch gebruik, maar het kan niet lang duren voordat ze er zijn. in 2017, Kyriakides en Schroers bouwden een glucosesensor van een op platina gebaseerd bulkmetaalglas dat veel nauwkeuriger is dan conventionele sensoren. Kyriakides schat dat een dergelijke sensor binnen vijf jaar voor klinisch gebruik kan worden ontwikkeld.

"We hopen dat wanneer mensen onze resultaten zien, ze kunnen enthousiast worden over het gebruik van deze materialen, ' zegt Kyriakides. 'We hebben nog maar net de oppervlakte bekrast.'