Une classe de biomatériaux appelés verres métalliques en vrac pourrait transformer les futurs dispositifs médicaux implantés et autres objets d'ingénierie.

Articulations artificielles, endoprothèses vasculaires, vis à os, et d'autres objets implantés - des outils essentiels pour aider les patients - comportent des risques liés aux matériaux qui les composent. Valves et stents, par exemple, peut provoquer une réaction inflammatoire qui conduit à une coagulation mortelle. Les prothèses articulaires peuvent se desserrer progressivement et nécessiter un remplacement. Et tout implant peut provoquer une infection.

De tels dispositifs impliquent des compromis d'ingénierie :l'utilité par rapport aux forces et faiblesses de leurs composants. Mais une classe de biomatériaux appelés verres métalliques en vrac pourrait transformer ce calcul pour les futurs dispositifs médicaux implantés, ainsi que pour une foule d'autres objets d'ingénierie. Trouvé nulle part ailleurs dans la nature, ces nouveaux alliages peuvent surmonter de nombreux problèmes tenaces associés aux implants actuels.

Brillant, gris, et souple, les verres métalliques en vrac ressemblent aux métaux ordinaires mais sont plus solides et plus durs que l'acier. Ils sont non toxiques et résistent à la corrosion et à l'usure, ce qui les rend bien adaptés pour habiter à l'intérieur du corps. Ils sont suffisamment élastiques pour changer de forme et rebondir facilement. Et ils sont faciles à façonner.

"D'habitude, le traitement des métaux est une grande douleur. C'est assez choquant - même l'impression 3D de métaux est une grande douleur, " dit le scientifique des matériaux Jan Schroers, Doctorat., professeur de génie mécanique et de science des matériaux. "Les verres métalliques ont cette capacité à se former comme des plastiques."

Par exemple, lorsqu'il est chauffé à des températures réalisables dans un four de cuisine, un verre métallique en vrac à base de platine se ramollit à ce que Schroers décrit comme la consistance du miel réfrigéré. "Il ne se déforme pas vraiment tout seul sous son propre poids, mais c'est assez mou [pour qu'avec une force modeste] tu puisses le déformer, " dit Schroers.

Dans une collaboration inter-campus où le personnel de leur laboratoire apprend à la fois les techniques métallurgiques et de laboratoire humide, Schroers et Thémis Kyriakides, Doctorat., professeur agrégé de pathologie et de génie biomédical à la Yale School of Engineering and Applied Science, explorent les performances des verres métalliques en vrac en tant que biomatériaux.

Pour une chose, les matériaux sont en grande partie inoffensifs pour les cellules de mammifères mais hostiles aux bactéries. Cette propriété pourrait les rendre utiles comme revêtement antibactérien sur les articulations artificielles, Instruments chirurgicaux, ou des poignées de porte d'hôpital.

Les verres métalliques peuvent également exercer un effet médicamenteux. Lorsque les cellules interagissent avec les surfaces des corps étrangers implantés, ils peuvent emprunter la voie de l'inflammation et du rejet, Ou bien, vers une réponse de type réparation plus souhaitable. Le chemin choisi par les cellules dépend en partie des plus petites caractéristiques de surface de l'objet, sa nanotopographie. Ces irrégularités de surface attirent les protéines voisines, qui à leur tour influencent les cellules qui passent de diverses manières. Kyriakides et Schroers peuvent manipuler ces comportements cellulaires en moulant des motifs spécifiques sur la surface d'un verre métallique.

"Nous pouvons composer tout ce que nous voulons créer en termes de surface - ils pourraient être nano-motifs, ils pourraient être poreux, " dit Kyriakides. " Ce sont des [capacités] qui sont généralement limitées aux polymères, et nous pouvons le faire avec des métaux."

Cela seul fait des verres métalliques en vrac "une fantastique boîte à outils, " Schroers dit. "Vous pouvez concevoir des réponses cellulaires qui sont souhaitables pour une application spécifique."

Une telle application pourrait être un stent d'artère coronaire. De nombreux stents sur le marché aujourd'hui sont imprégnés d'un médicament qui se diffuse dans le corps au fil du temps pour empêcher la coagulation et la formation de dépôts fibreux. Mais un stent en verre métallique massif avec la bonne nanotopographie pourrait exercer un effet similaire, éliminant le besoin d'un médicament.

En orthopédie, alliages à base de calcium, magnésium, et le phosphore peut se désintégrer progressivement dans le corps, une propriété utile pour certains types de matériel osseux. Les verres métalliques en vrac peuvent également être formés comme résistants, mousses légères - imaginez une éponge solidifiée - dont la densité correspond à celle de l'os. Cette similitude est importante car les implants articulaires conventionnels ont tendance à être plus rigides que l'os et à absorber trop d'impact, permettant à l'os environnant de s'atrophier à cause de la non-utilisation et entraînant un relâchement, articulation défectueuse. Un implant fabriqué à partir d'une mousse de verre métallique pourrait éviter ces complications.

Le terme verre désigne un matériau dont les atomes sont disposés selon un motif non cristallin irrégulier, et qui réagit à l'échauffement en devenant visqueux. A l'oeil et à la main, les verres métalliques semblent identiques au métal ordinaire. Mais la structure atomique des objets métalliques familiers est cristalline, comprenant des rangées d'atomes liés dans un réseau. Les verres métalliques ressemblent davantage à un liquide dans lequel des atomes homogènes en mouvement chaotique ont été figés dans le temps.

Cette homogénéité apporte des avantages majeurs. Les cristaux des alliages de métaux ordinaires se rencontrent le long d'innombrables bords microscopiques appelés joints de grains, qui sont vulnérables au glissement et à la corrosion. Par contre, les verres métalliques sont amorphes, homogène, et uniforme dans toutes les directions, rendant plus difficile l'implantation des processus corrosifs.

Les verres métalliques en vrac sont un tout nouveau matériau, selon Schroers. Sur notre planète, au moins, la co-occurrence de différents éléments métalliques dans un matériau chauffé qui est brusquement refroidi pour former un verre a peu ou pas de précédent. (L'analogue le plus proche est le verre volcanique, qui se compose principalement de silicium et d'oxygène, pas des métaux.)

Assez curieusement, les cellules survivent et prospèrent grâce aux nouveaux matériaux exotiques. Ils semblent particulièrement à l'aise sur les alliages à base de platine, élément cher, selon Kyriakides :« Nos cellules ont un goût assez cher, ", lance-t-il.

En 2014, Schroers a fondé une entreprise, Métaux super cool, basé sur sa technique brevetée appartenant à Yale pour façonner des verres métalliques en vrac qui peuvent être utilisés dans des opérations de fabrication modifiées généralement utilisées dans le traitement des plastiques.

"[Nous avons] commercialisé la possibilité de créer des formes très compliquées que vous ne pouvez créer avec aucun autre procédé, dans ce matériau très attractif pour une large gamme d'applications, " dit-il. La société travaille avec la NASA pour développer des pièces pour robots et satellites, et a développé un étui pour téléphone portable avec des boutons flexibles intégrés qui peuvent permettre le développement de téléphones étanches. Supercool Metals fabrique également de minuscules composants pour les montres haut de gamme.

Les verres métalliques en vrac ne sont pas encore prêts pour une utilisation biomédicale, mais cela pourrait ne pas prendre longtemps avant qu'ils ne le soient. En 2017, Kyriakides et Schroers ont construit un capteur de glucose à partir d'un verre métallique en vrac à base de platine qui est beaucoup plus précis que les capteurs conventionnels. Kyriakides estime qu'un tel capteur pourrait être développé pour une utilisation clinique d'ici cinq ans.

"Nous espérons que lorsque les gens verront nos résultats, ils peuvent être enthousiastes à l'idée d'utiliser ces matériaux, " dit Kyriakides. "Nous avons à peine effleuré la surface."