Uma classe de biomateriais chamada vidros metálicos em massa pode transformar futuros dispositivos médicos implantados e outros objetos de engenharia.

Juntas artificiais, stents de vasos sanguíneos, parafusos de osso, e outros objetos implantados - ferramentas cruciais para ajudar os pacientes - apresentam riscos relacionados aos materiais de que são feitos. Válvulas e stents, por exemplo, pode provocar uma reação inflamatória que leva à coagulação mortal. As substituições de juntas podem afrouxar gradualmente e exigir substituição. E qualquer implante pode causar infecção.

Esses dispositivos envolvem compensações de engenharia:utilidade versus os pontos fortes e fracos de seus materiais componentes. Mas uma classe de biomateriais chamados vidros metálicos em massa poderia transformar esse cálculo para futuros dispositivos médicos implantados, bem como para uma série de outros objetos de engenharia. Não encontrado em nenhum outro lugar da natureza, essas novas ligas podem superar muitos problemas teimosos associados aos implantes de hoje.

Brilhante, cinzento, e flexível, Os vidros metálicos em massa lembram metais comuns, mas são mais fortes e mais duros do que o aço. Eles não são tóxicos e resistem à corrosão e ao desgaste, tornando-os adequados para habitar dentro do corpo. Eles são elásticos o suficiente para mudar de forma e voltar com facilidade. E eles são facilmente moldados.

"Usualmente, o processamento de metais é uma grande dor. É meio chocante - mesmo a impressão 3-D de metais é uma grande dor, "diz o cientista de materiais Jan Schroers, Ph.D., professor de engenharia mecânica e ciência dos materiais. "Os vidros metálicos têm a capacidade de se formarem como plásticos."

Por exemplo, quando aquecido a temperaturas atingíveis em um forno de cozinha, um vidro metálico a granel à base de platina amolece até o que Schroers descreve como a consistência de mel refrigerado. "Ele realmente não deforma por si mesmo sob seu próprio peso, mas é macio o suficiente [que com modesta] força você pode deformá-lo, "Schroers diz.

Em uma colaboração entre campus em que seu pessoal de laboratório está aprendendo técnicas metalúrgicas e de laboratório úmido, Schroers e Themis Kyriakides, Ph.D., professor associado de patologia e engenharia biomédica na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Yale, estão explorando como os vidros metálicos a granel atuam como biomateriais.

Por uma coisa, os materiais são amplamente inofensivos para as células de mamíferos, mas hostis às bactérias. Esta propriedade pode torná-los úteis como um revestimento antibacteriano em articulações artificiais, Instrumentos cirúrgicos, ou maçanetas de hospital.

Os vidros metálicos também podem exercer um efeito semelhante ao de uma droga. Quando as células interagem com as superfícies de corpos estranhos implantados, eles podem seguir o caminho da inflamação e rejeição, ou alternativamente, em direção a uma resposta semelhante ao reparo mais desejável. O caminho que as células escolhem depende em parte das menores características da superfície do objeto - sua nanotopografia. Essas irregularidades superficiais atraem proteínas próximas, que por sua vez influenciam células que passam de várias maneiras. Kyriakides e Schroers podem manipular esses comportamentos celulares moldando padrões específicos na superfície de um vidro metálico.

"Podemos discar o que quisermos criar em termos de superfície - eles podem ser nanopadronizados, eles podem ser porosos, "Kyriakides diz." Estas são [habilidades] que geralmente são restritas a polímeros, e podemos fazer isso com metais. "

Isso por si só torna os vidros metálicos volumosos "uma caixa de ferramentas fantástica, "Schroers diz." Você pode projetar respostas celulares que são desejáveis ​​para uma aplicação específica. "

Uma dessas aplicações pode ser um stent de artéria coronária. Muitos stents no mercado hoje são impregnados com uma droga que se difunde no corpo ao longo do tempo para prevenir a coagulação e a formação de depósitos fibrosos. Mas um stent de vidro metálico com a nanotopografia certa poderia exercer um efeito semelhante, eliminando a necessidade de um medicamento.

Na ortopedia, ligas feitas de cálcio, magnésio, e o fósforo pode se desintegrar gradualmente no corpo, uma propriedade útil para alguns tipos de hardware ósseo. Vidros metálicos a granel também podem ser formados como fortes, espumas leves - imagine uma esponja solidificada - cuja densidade corresponde à do osso. Essa semelhança é importante porque os implantes de articulação convencionais tendem a ser mais rígidos do que o osso e absorvem muito impacto, permitindo que o osso circundante atrofie pelo desuso e resultando em um afrouxamento, junta com defeito. Um implante feito de espuma de vidro metálica pode evitar essas complicações.

O termo vidro se refere a um material cujos átomos estão dispostos em um padrão irregular não cristalino, e que reage ao aquecimento tornando-se viscoso. Para o olho e a mão, vidros metálicos parecem idênticos ao metal comum. Mas a estrutura atômica de objetos metálicos familiares é cristalina, compreendendo fileiras de átomos ligados em uma rede. Os vidros metálicos são mais como um líquido no qual átomos homogêneos em movimento caótico foram congelados no tempo.

Essa homogeneidade traz grandes vantagens. Cristais de ligas de metal comuns se encontram ao longo de incontáveis ​​bordas microscópicas chamadas de limites de grão, que são vulneráveis ​​a deslizamento e corrosão. Por contraste, vidros metálicos são amorfos, homogêneo, e uniforme em todas as direções, tornando mais difícil para os processos corrosivos se firmarem.

Os vidros metálicos a granel são um material novo, de acordo com Schroers. Em nosso planeta, pelo menos, a coocorrência de diferentes elementos metálicos em um material aquecido que é abruptamente resfriado para formar um vidro tem pouco ou nenhum precedente. (O análogo mais próximo é o vidro vulcânico, que consiste principalmente em silício e oxigênio, não metais.)

Curiosamente, as células sobrevivem e prosperam com os novos materiais exóticos. Eles parecem especialmente em casa em ligas baseadas no elemento caro platina, de acordo com Kyriakides:"Nossas células têm um sabor muito caro, "ele brinca.

Em 2014, Schroers fundou uma empresa, Supercool Metais, baseado em sua técnica patenteada de propriedade de Yale para moldar vidros metálicos a granel que podem ser usados ​​em operações de manufatura modificadas normalmente usadas no processamento de plásticos.

"[Nós] comercializamos a capacidade de fazer formas muito complicadas que você não pode fazer com qualquer outro processo, neste material que é muito atraente para uma ampla gama de aplicações, ", diz ele. A empresa está trabalhando com a NASA para desenvolver peças para robôs e satélites, e desenvolveu uma capa para celular com botões flexíveis integrados que podem permitir o desenvolvimento de telefones à prova d'água. A Supercool Metals também fabrica componentes minúsculos para relógios de última geração.

Os vidros metálicos a granel ainda não estão prontos para uso biomédico, mas pode não demorar muito para que eles o façam. Em 2017, Kyriakides e Schroers construíram um sensor de glicose a partir de um vidro metálico a granel à base de platina que é muito mais preciso do que os sensores convencionais. Kyriakides estima que tal sensor poderia ser desenvolvido para uso clínico dentro de cinco anos.

"Esperamos que, quando as pessoas virem nossos resultados, eles podem ficar entusiasmados com o uso desses materiais, "Kyriakides diz." Nós mal arranhamos a superfície. "