Inspireret af naturen, forskningen for at udvikle et nyt bærende materiale

Ingeniører har udviklet et nyt materiale, der efterligner menneskelig brusk - kroppens stødabsorberende og smøresystem, og det kunne indvarsle udviklingen af ​​en ny generation af letvægtslejer.

Brusk er et blødt fibrøst væv, der findes omkring leddene, som giver beskyttelse mod den trykbelastning, der genereres ved at gå, løb eller løft. Det giver også en beskyttende, smørelag, der tillader knogler at passere over hinanden på en friktionsfri måde. Årevis, videnskabsmænd har forsøgt at skabe et syntetisk materiale med bruskegenskaberne.

Til dato, de har haft blandede resultater.

Men i et papir offentliggjort i tidsskriftet Påførte polymermaterialer , forskere ved University of Leeds og Imperial College London har annonceret, at de har skabt et materiale, der fungerer som brusk.

Forskerholdet mener, at et brusklignende materiale ville have en bred vifte af anvendelser inden for teknik.

Brusk er et bi-fasisk porøst materiale, hvilket betyder, at det eksisterer i faste og flydende faser. Det skifter til sin flydende fase ved at absorbere et tyktflydende stof produceret i leddene kaldet ledvæske. Denne væske smører ikke kun leddene, men når den holdes i bruskens porøse matrix, det giver en hydroelastisk pude mod trykkræfter.

Fordi brusken er porøs, ledvæsken drænes til sidst væk, og som den gør, det hjælper med at sprede de energikræfter, der rejser gennem kroppen, beskytter leddene mod slitage og stødskader. På dette tidspunkt vender brusken tilbage til sin solgte fase, klar til, at cyklussen skal gentages.

Dr. Siavash Soltanahmadi, Forskningsstipendiat ved School of Mechanical Engineering i Leeds, hvem ledede forskningen, sagde:"Forskere og ingeniører har i årevis forsøgt at udvikle et materiale, der har bruskens fantastiske egenskaber. Vi har nu udviklet et materiale til tekniske anvendelser, der efterligner nogle af de vigtigste egenskaber, der findes i brusk, og det har kun været muligt, fordi vi har fundet en måde at efterligne den måde, naturen gør det på.

"Der er mange anvendelser inden for ingeniørarbejde for et syntetisk materiale, der er blødt, men som kan modstå tung belastning med minimalt slid, såsom i lejer. Der er potentiale på tværs af teknik for et materiale, der opfører sig som brusk."

Tidligere forsøg på at udvikle et syntetisk brusksystem har fokuseret på brugen af ​​hydrogeler, materialer, der absorberer vand. Hydrogeler er gode til at reducere friktion, men fungerer dårligt, når de er under trykkraft.

Et af problemerne er, at det tager tid for hydrogelen at vende tilbage til sin normale form, efter at den er blevet komprimeret.

Forskerne har overvundet dette problem ved at skabe et syntetisk porøst materiale lavet af en hydrogel holdt i en matrix af polydimethylsiloxan eller PDMS - en silikonebaseret polymer. Matrixen holder formen på hydrogelen.

I avisen, forskerne rapporterer, at den belastningsbærende adfærd af hydrogelen i PDMS-matrixen var 14 til 19 gange større end hydrogelen alene. Ligevægtselasticitetsmodulet for kompositten var 452 kPa ved et spændingsområde på 10%-30%, tæt på de rapporterede værdier for det testede bruskmodul.

Hydrogelen tilvejebragte også et smørende lag.

Forskerne mener, at fremtidige anvendelser af et nyt materiale baseret på bruskfunktionen vil udfordre mange traditionelle oliesmurte ingeniørsystemer.

Dr. Michael Bryant, Lektor ved Skolen for Maskinteknik, der overvågede forskningen, sagde; "Evnen til at bruge vand som et effektivt smøremiddel har mange anvendelser lige fra energiproduktion til medicinsk udstyr. Dette kræver dog ofte en anden tilgang sammenlignet med traditionelle tekniske systemer, som ofte bruger oliebaserede smøremidler og hårde overfladebelægninger.

"Dette projekt har hjulpet os til bedre at forstå disse krav og udvikle nye værktøjer til at imødekomme dette behov."

Papiret, Fremstilling af brusk-inspirerede hydrogel/entangled polymer-elastomer-strukturer med porelastiske egenskaber, er publiceret i tidsskriftet Påførte polymermaterialer .