Ridsning af overfladen:Metalliske glasimplantater

En klasse af biomaterialer kaldet bulk metalliske briller kan transformere fremtidige implanterede medicinske anordninger og andre konstruerede genstande.

Kunstige led, blodkar stents, knogle skruer, og andre implanterede genstande - afgørende værktøjer til at hjælpe patienter - bære risici relateret til de materialer, de er lavet af. Ventiler og stents, for eksempel, kan fremkalde en betændelsesreaktion, der fører til dødelig koagulering. Fælles udskiftninger kan gradvist løsne og kræve udskiftning. Og ethvert implantat kan forårsage infektion.

Sådanne enheder indebærer tekniske kompromiser:nytte kontra styrker og svagheder ved deres komponentmaterialer. Men en klasse af biomaterialer, der kaldes bulkglass, kunne omdanne denne beregning til fremtidigt implanteret medicinsk udstyr, såvel som for en lang række andre konstruerede objekter. Findes ingen andre steder i naturen, disse nye legeringer kan overvinde mange genstridige problemer forbundet med nutidens implantater.

Skinnende, grå, og bøjelig, bulk metalliske glas ligner almindelige metaller, men er stærkere og hårdere end stål. De er ugiftige og modstår korrosion og slid, gør dem velegnede til at opholde sig inde i kroppen. De er elastiske nok til at ændre form og springe tilbage med lethed. Og de formes let.

"Som regel, forarbejdning af metaller er en stor smerte. Det er lidt chokerende – selv 3D-print af metaller er en stor smerte, " siger materialeforsker Jan Schroers, Ph.D., professor i maskinteknik og materialevidenskab. "Metalglas har denne evne til at blive formet som plastik."

For eksempel, ved opvarmning til temperaturer, der kan opnås i en køkkenovn, et platinbaseret bulk metallisk glas blødgør til, hvad Schroers beskriver som konsistensen af ​​nedkølet honning. "Den deformerer ikke rigtig af sig selv under sin egen vægt, men den er blød nok til at man med beskeden kraft kan deformere den, " siger Schroers.

I et samarbejde på tværs af campus, hvor deres laboratoriepersonale lærer både metallurgiske og våde laboratorieteknikker, Schroers og Themis Kyriakides, Ph.D., lektor i patologi og biomedicinsk teknik ved Yale School of Engineering and Applied Science, undersøger, hvordan bulk metalliske glas fungerer som biomaterialer.

For én ting, materialerne er stort set uskadelige for pattedyrsceller, men alligevel fjendtlige over for bakterier. Denne egenskab kan gøre dem nyttige som en antibakteriel belægning på kunstige led, kirurgiske instrumenter, eller hospitalets dørhåndtag.

Metalliske briller kan også have en lægemiddellignende effekt. Når celler interagerer med overfladerne af implanterede fremmedlegemer, de kan gå ned ad vejen til betændelse og afvisning, eller alternativt, mod en mere ønskværdig reparationslignende reaktion. Hvilken vej cellerne vælger afhænger til dels af objektets mindste overfladetræk - dets nanotopografi. Disse overfladeuregelmæssigheder tiltrækker nærliggende proteiner, som igen påvirker forbipasserende celler på forskellige måder. Kyriakides og Schroers kan manipulere denne celleadfærd ved at støbe specifikke mønstre på overfladen af ​​et metallisk glas.

"Vi kan vælge, hvad vi ønsker at skabe med hensyn til overfladen - de kunne være nanomønstrede, de kunne være porøse, " siger Kyriakides. "Dette er [evner], der normalt er begrænset til polymerer, og vi kan gøre det med metaller."

Alene det gør bulk metalliske glas "en fantastisk værktøjskasse, "Siger Schroers. "Du kan designe cellulære svar, der er ønskelige til en specifik applikation."

En sådan anvendelse kunne være en koronararteriestent. Mange stents på markedet i dag er imprægneret med et lægemiddel, der diffunderer ind i kroppen over tid for at forhindre koagulering og dannelse af fibrøse aflejringer. Men en bulk metallisk glasstent med den rigtige nanotopografi kunne udøve en lignende effekt, eliminerer behovet for et lægemiddel.

I ortopædi, legeringer lavet af calcium, magnesium, og fosfor kan gradvist nedbrydes i kroppen, en nyttig egenskab for nogle typer knoglebeslag. Bulk metalliske briller kan også dannes som stærke, lys skum - forestil en størknet svamp - hvis massefylde matcher knoglens. Denne lighed er vigtig, fordi konventionelle ledimplantater har tendens til at være stivere end knogler og absorbere for meget stød, at tillade den omgivende knogle atrofiere fra misbrug og resultere i en løsnet, defekt led. Et implantat lavet af et metallisk glasskum kunne afværge disse komplikationer.

Udtrykket glas refererer til et materiale, hvis atomer er arrangeret i et uregelmæssigt ikke-krystallinsk mønster, og som reagerer på opvarmning ved at blive tyktflydende. For øjet og hånden, metalliske briller ser identiske ud med almindeligt metal. Men velkendte metalgenstandes atomstruktur er krystallinsk, omfattende rækker af atomer bundet i et gitter. Metalliske glas er mere som en væske, hvor kaotisk bevægende homogene atomer er blevet frosset i tid.

Den homogenitet giver store fordele. Almindelige metallegeringskrystaller møder hinanden langs utallige mikroskopiske kanter kaldet korngrænser, som er sårbare over for glidning og korrosion. Derimod metalliske glas er amorfe, homogen, og ensartet i alle retninger, gør det sværere for ætsende processer at få fodfæste.

Bulk metalliske briller er et helt nyt materiale, ifølge Schroers. På vores planet, i det mindste, den samtidige forekomst af forskellige metalliske elementer i et opvarmet materiale, der brat afkøles til et glas, har ringe eller ingen præcedens. (Den nærmeste analog er vulkansk glas, som hovedsageligt består af silicium og ilt, ikke metaller.)

Mærkeligt nok, celler overlever og trives på de nye eksotiske materialer. De virker især hjemme på legeringer baseret på det dyre element platin, ifølge Kyriakides:"Vores celler har en ret dyr smag, "kvier han.

I 2014, Schroers grundlagde et firma, Super seje metaller, baseret på hans patenterede Yale-ejede teknik til at forme bulk metalliske glas, der kan bruges i modificerede fremstillingsoperationer, der typisk anvendes i plastforarbejdning.

"[Vi har] kommercialiseret evnen til at lave meget komplicerede former, du ikke kan lave med nogen anden proces, i dette materiale, der er meget attraktivt til en lang række applikationer, " siger han. Virksomheden arbejder sammen med NASA om at udvikle dele til robotter og satellitter, og har udviklet et mobilcover med indbyggede fleksible knapper, der kan tillade udviklingen af ​​vandtætte telefoner. Supercool Metals fremstiller også små komponenter til high-end ure.

Bulk metalliske glas er ikke klar til biomedicinsk brug endnu, men det tager måske ikke lang tid før de er det. I 2017, Kyriakides og Schroers byggede en glukosesensor af et platinbaseret bulk metallisk glas, der er meget mere nøjagtigt end konventionelle sensorer. Kyriakides vurderer, at en sådan sensor kan udvikles til klinisk brug inden for fem år.

"Vi håber, at når folk ser vores resultater, de kan blive begejstrede for at bruge disse materialer, "Siger Kyriakides." Vi har næsten ikke ridset overfladen. "