En klass av biomaterial som kallas bulkmetallglas kan förvandla framtida implanterade medicinska apparater och andra konstruerade föremål.

Konstgjorda leder, blodkärlsstentar, benskruvar, och andra implanterade föremål – avgörande verktyg för att hjälpa patienter – bära risker relaterade till materialen de är gjorda av. Ventiler och stentar, till exempel, kan framkalla en inflammatorisk reaktion som leder till dödlig koagulering. Ledbyten kan gradvis lossna och kräva utbyte. Och vilket implantat som helst kan orsaka infektion.

Sådana enheter medför tekniska kompromisser:användbarhet kontra styrkor och svagheter hos deras komponentmaterial. Men en klass av biomaterial som kallas bulkmetallglas skulle kunna förändra den kalkylen för framtida implanterade medicinska apparater, såväl som för en mängd andra konstruerade föremål. Finns ingen annanstans i naturen, dessa nya legeringar kan övervinna många envisa problem i samband med dagens implantat.

Skinande, grå, och böjlig, bulkmetallglas liknar vanliga metaller men är starkare och hårdare än stål. De är giftfria och motstår korrosion och slitage, vilket gör dem väl lämpade att bo inne i kroppen. De är tillräckligt elastiska för att ändra form och fjädra tillbaka med lätthet. Och de är lätta att forma.

"Vanligtvis, metallbearbetning är en stor smärta. Det är lite chockerande – även 3D-utskrift av metaller är en stor smärta, säger materialvetaren Jan Schroers, Ph.D., professor i maskinteknik och materialvetenskap. "Metalliska glas har denna förmåga att formas som plast."

Till exempel, vid uppvärmning till temperaturer som kan uppnås i en köksugn, ett platinabaserat bulkmetalliskt glas mjuknar till vad Schroers beskriver som konsistensen av kyld honung. "Den deformeras inte riktigt av sig själv under sin egen vikt, men den är tillräckligt mjuk [för att med blygsam] kraft kan du deformera den, " säger Schroers.

I ett samarbete mellan campus där deras labbpersonal lär sig både metallurgiska och våtlabbtekniker, Schroers och Themis Kyriakides, Ph.D., docent i patologi och biomedicinsk teknik vid Yale School of Engineering and Applied Science, undersöker hur bulkmetallglas fungerar som biomaterial.

För en sak, Materialen är i stort sett ofarliga för däggdjursceller men ändå fientliga mot bakterier. Denna egenskap kan göra dem användbara som en antibakteriell beläggning på konstgjorda leder, kirurgiska instrument, eller sjukhusdörrhandtag.

Metalliska glasögon kan också utöva en drogliknande effekt. När celler interagerar med ytorna på implanterade främmande kroppar, de kan gå på vägen för inflammation och avstötning, eller alternativt, mot ett mer önskvärt reparationsliknande svar. Vilken väg cellerna väljer beror delvis på objektets minsta ytegenskaper - dess nanotopografi. Dessa ytojämnheter lockar till sig närliggande proteiner, vilket i sin tur påverkar passerande celler på olika sätt. Kyriakides och Schroers kan manipulera dessa cellbeteenden genom att gjuta specifika mönster på ytan av ett metalliskt glas.

"Vi kan ringa in vad vi vill skapa när det gäller ytan - de kan vara nanomönstrade, de kan vara porösa, " säger Kyriakides. "Detta är [förmågor] som vanligtvis är begränsade till polymerer, och vi kan göra det med metaller."

Bara det gör bulkmetallglas till "en fantastisk verktygslåda, Schroers säger. "Du kan designa cellulära svar som är önskvärda för en specifik tillämpning."

En sådan applikation kan vara en kransartärstent. Många stentar på marknaden idag är impregnerade med ett läkemedel som diffunderar in i kroppen över tid för att förhindra koagulering och bildning av fibrösa avlagringar. Men en bulkstent av metalliskt glas med rätt nanotopografi skulle kunna utöva en liknande effekt, eliminerar behovet av ett läkemedel.

Inom ortopedi, legeringar gjorda av kalcium, magnesium, och fosfor kan gradvis sönderfalla i kroppen, en användbar egenskap för vissa typer av benhårdvara. Bulk metallglas kan också formas som starka, lätta skum – föreställ dig en stelnad svamp – vars densitet matchar benets. Den likheten är viktig eftersom konventionella ledimplantat tenderar att vara styvare än ben och absorbera för mycket stötar, tillåta det omgivande benet att atrofieras på grund av att det inte används och resulterar i en lossad, felaktigt fungerande led. Ett implantat tillverkat av ett metalliskt glasskum kan avvärja dessa komplikationer.

Termen glas hänvisar till ett material vars atomer är ordnade i ett oregelbundet icke-kristallint mönster, och som reagerar på upphettning genom att bli trögflytande. Till ögat och handen, metallglas ser identiska ut med vanlig metall. Men bekanta metallföremåls atomstruktur är kristallin, som består av rader av atomer bundna i ett gitter. Metalliska glas är mer som en vätska där kaotiskt rörliga homogena atomer har frysts i tid.

Den homogeniteten ger stora fördelar. Vanliga metallegeringars kristaller möter varandra längs otaliga mikroskopiska kanter som kallas korngränser, som är känsliga för glidning och korrosion. Däremot metallglas är amorfa, homogen, och enhetlig i alla riktningar genomgående, vilket gör det svårare för korrosiva processer att få fäste.

Bulkmetallglas är ett helt nytt material, enligt Schroers. På vår planet, åtminstone, förekomsten av olika metalliska element samtidigt i ett uppvärmt material som plötsligt kyls ned för att bilda ett glas har liten eller ingen prejudikat. (Den närmaste analogen är vulkaniskt glas, som mest består av kisel och syre, inte metaller.)

Märkligt nog, celler överlever och frodas på de nya exotiska materialen. De verkar särskilt hemma på legeringar baserade på det dyrbara elementet platina, enligt Kyriakides:"Våra celler har ganska dyr smak, " skämtar han.

Under 2014, Schroers grundade ett företag, Supercoola metaller, baserad på hans patenterade Yale-ägda teknik för att forma bulkmetallglas som kan användas i modifierade tillverkningsoperationer som vanligtvis används vid plastbearbetning.

"[Vi har] kommersialiserat möjligheten att göra mycket komplicerade former som du inte kan göra med någon annan process, i detta material som är mycket attraktivt för ett stort antal applikationer, " säger han. Företaget samarbetar med NASA för att utveckla delar till robotar och satelliter, och har utvecklat ett mobilfodral med inbyggda flexibla knappar som kan möjliggöra utvecklingen av vattentäta telefoner. Supercool Metals tillverkar också små komponenter för avancerade klockor.

Bulkmetallglas är inte redo för biomedicinsk användning ännu, men det kanske inte tar lång tid innan de är det. Under 2017, Kyriakides och Schroers byggde en glukossensor av ett platinabaserat bulkmetallglas som är mycket mer exakt än konventionella sensorer. Kyriakides uppskattar att en sådan sensor skulle kunna utvecklas för klinisk användning inom fem år.

"Vi hoppas att när folk ser våra resultat, de kan bli entusiastiska över att använda dessa material, " säger Kyriakides. "Vi har knappt skrapat på ytan."