Una clase de biomateriales llamados vidrios metálicos a granel podrían transformar futuros dispositivos médicos implantados y otros objetos de ingeniería.

Articulaciones artificiales, stents de vasos sanguíneos, tornillos para huesos, y otros objetos implantados, herramientas cruciales para ayudar a los pacientes, conllevan riesgos relacionados con los materiales de los que están hechos. Válvulas y stents, por ejemplo, puede provocar una reacción inflamatoria que conduce a una coagulación mortal. Los reemplazos de articulaciones pueden aflojarse gradualmente y requerir reemplazo. Y cualquier implante puede provocar una infección.

Dichos dispositivos implican compensaciones de ingeniería:utilidad frente a las fortalezas y debilidades de los materiales que los componen. Pero una clase de biomateriales llamados vidrios metálicos a granel podría transformar ese cálculo para futuros dispositivos médicos implantados. así como para una gran cantidad de otros objetos diseñados. No se encuentra en ningún otro lugar de la naturaleza estas nuevas aleaciones pueden superar muchos problemas difíciles asociados con los implantes actuales.

Brillante, gris, y flexible, Los vidrios metálicos a granel se parecen a los metales comunes pero son más fuertes y duros que el acero. No son tóxicos y resisten la corrosión y el desgaste, haciéndolos muy adecuados para habitar dentro del cuerpo. Son lo suficientemente elásticos para cambiar de forma y saltar hacia atrás con facilidad. Y se moldean fácilmente.

"Generalmente, el procesamiento de metales es un gran dolor. Es un poco impactante, incluso la impresión 3D de metales es un gran dolor, "dice el científico de materiales Jan Schroers, Doctor., profesor de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales. "Los vidrios metálicos tienen la capacidad de formarse como plásticos".

Por ejemplo, cuando se calienta a temperaturas alcanzables en un horno de cocina, un vidrio metálico a granel a base de platino se ablanda a lo que Schroers describe como la consistencia de la miel refrigerada. "En realidad, no se deforma por sí solo por su propio peso, pero es lo suficientemente suave [que con modesta] fuerza puedes deformarlo, "Dice Schroers.

En una colaboración entre campus que tiene a su personal de laboratorio aprendiendo técnicas metalúrgicas y de laboratorio húmedo, Schroers y Themis Kyriakides, Doctor., profesor asociado de patología e ingeniería biomédica en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Yale, están explorando cómo funcionan los vidrios metálicos a granel como biomateriales.

Por una cosa, los materiales son en gran parte inofensivos para las células de mamíferos pero hostiles a las bacterias. Esta propiedad podría hacerlos útiles como recubrimiento antibacteriano en articulaciones artificiales, instrumentos quirúrgicos, o pomos de las puertas del hospital.

Los vidrios metálicos también pueden ejercer un efecto similar a una droga. Cuando las células interactúan con las superficies de cuerpos extraños implantados, pueden ir por el camino de la inflamación y el rechazo, o alternativamente, hacia una respuesta similar a una reparación más deseable. El camino que elijan las células depende en parte de las características superficiales más pequeñas del objeto:su nanotopografía. Estas irregularidades de la superficie atraen proteínas cercanas, que a su vez influyen en el paso de las células de diversas formas. Kyriakides y Schroers pueden manipular estos comportamientos celulares moldeando patrones específicos en la superficie de un vidrio metálico.

"Podemos marcar lo que queramos crear en términos de la superficie; podrían tener nanopatrones, podrían ser porosos, ", Dice Kyriakides." Estas son [habilidades] que generalmente están restringidas a polímeros, y lo podemos hacer con metales ".

Eso solo hace que los vidrios metálicos a granel sean "una fantástica caja de herramientas, ", Dice Schroers." Puede diseñar respuestas celulares que sean deseables para una aplicación específica ".

Una de estas aplicaciones podría ser un stent de arteria coronaria. Muchos stents en el mercado hoy en día están impregnados con un fármaco que se difunde en el cuerpo con el tiempo para prevenir la coagulación y la formación de depósitos fibrosos. Pero un stent de vidrio metálico a granel con la nanotopografía adecuada podría ejercer un efecto similar, eliminando la necesidad de un medicamento.

En ortopedia, aleaciones de calcio, magnesio, y el fósforo puede desintegrarse gradualmente en el cuerpo, una propiedad útil para algunos tipos de hardware para huesos. Los vidrios metálicos a granel también se pueden formar tan fuertes, espumas ligeras, imagina una esponja solidificada, cuya densidad coincide con la del hueso. Esa similitud es importante porque los implantes de articulaciones convencionales tienden a ser más rígidos que el hueso y absorben demasiado impacto. permitiendo que el hueso circundante se atrofie por desuso y provoque un aflojamiento, junta defectuosa. Un implante hecho de una espuma de vidrio metálico podría evitar esas complicaciones.

El término vidrio se refiere a un material cuyos átomos están dispuestos en un patrón irregular no cristalino, y que reacciona al calentamiento volviéndose viscoso. Para el ojo y la mano Los vidrios metálicos se ven idénticos al metal ordinario. Pero la estructura atómica de los objetos metálicos familiares es cristalina, que comprende filas de átomos unidos en una red. Los vidrios metálicos se parecen más a un líquido en el que átomos homogéneos que se mueven caóticamente se han congelado en el tiempo.

Esa homogeneidad trae grandes ventajas. Los cristales de las aleaciones de metales comunes se encuentran entre sí a lo largo de innumerables bordes microscópicos llamados límites de grano, que son vulnerables al deslizamiento y la corrosión. Por el contrario, los vidrios metálicos son amorfos, homogéneo, y uniforme en todas las direcciones en todo, lo que dificulta que los procesos corrosivos se afiancen.

Las gafas metálicas a granel son un material nuevo, según Schroers. En nuestro planeta por lo menos, la concurrencia de diferentes elementos metálicos en un material calentado que se enfría abruptamente para formar un vidrio tiene poco o ningún precedente. (El análogo más cercano es el vidrio volcánico, que se compone principalmente de silicio y oxígeno, no metales.)

Por extraño que parezca, las células sobreviven y prosperan con los nuevos materiales exóticos. Parecen especialmente en casa en las aleaciones basadas en el caro elemento platino, según Kyriakides:"Nuestras células tienen un sabor bastante caro, "bromea.

En 2014, Schroers fundó una empresa, Metales superfríos, basado en su técnica patentada, propiedad de Yale, para dar forma a vidrios metálicos a granel que se pueden utilizar en operaciones de fabricación modificadas que se utilizan normalmente en el procesamiento de plásticos.

"[Hemos] comercializado la capacidad de hacer formas muy complicadas que no se pueden hacer con ningún otro proceso, en este material muy atractivo para una amplia gama de aplicaciones, ", dice. La empresa está trabajando con la NASA para desarrollar piezas para robots y satélites, y ha desarrollado una funda para teléfono móvil con botones flexibles incorporados que pueden permitir el desarrollo de teléfonos resistentes al agua. Supercool Metals también fabrica componentes diminutos para relojes de alta gama.

Los vidrios metálicos a granel aún no están listos para uso biomédico, pero puede que no pase mucho tiempo antes de que lo sean. En 2017, Kyriakides y Schroers construyeron un sensor de glucosa a partir de un vidrio metálico a granel a base de platino que es mucho más preciso que los sensores convencionales. Kyriakides estima que dicho sensor podría desarrollarse para uso clínico dentro de cinco años.

"Esperamos que cuando la gente vea nuestros resultados, pueden entusiasmarse con el uso de estos materiales, "Dice Kyriakides." Apenas hemos arañado la superficie ".