Knoglegennembrud kan føre til mere holdbare flyvinger

Cornell-forskere har gjort en ny opdagelse om, hvordan tilsyneladende mindre aspekter af den indre struktur af knogler kan styrkes til at modstå gentagen slitage, et fund, der kunne hjælpe med at behandle patienter, der lider af osteoporose. Det kan også føre til skabelsen af ​​mere holdbare, letvægtsmaterialer til rumfartsindustrien.

Holdets papir, "Knogleinspirerede mikroarkitekturer opnår forbedret træthedsliv, " blev offentliggjort 18. november i Proceedings of the National Academy of Sciences . Medforfattere omfatter Cornell-ph.d.-studerende Cameron Aubin og Marysol Luna; postdoc-forsker Floor Lambers; Pablo Zavattieri og Adwait Trikanad ved Purdue University; og Clare Rimnac ved Case Western Reserve University.

I årtier, forskere, der studerer osteoporose, har brugt røntgenbilleder til at analysere strukturen af ​​knogler og udpege stærke og svage punkter. Tæthed er den vigtigste faktor, der normalt er forbundet med knoglestyrke, og ved vurderingen af ​​denne styrke, de fleste forskere ser på, hvor meget belastning en knogle kan klare på én gang.

Men et team ledet af seniorforfatteren Christopher J. Hernandez, lektor ved Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering og i Meinig School of Biomedical Engineering, er interesseret i langsigtet træthedsliv, eller hvor mange cyklusser af belastning en knogle kan tåle, før den knækker.

"Den bedste måde at forstå materialets træthedsegenskaber er at tænke på en del i din bil, der går i stykker med jævne mellemrum, så du skal tage den med i butikken. Godt, hvorfor gik det i stykker? Den var tydeligvis stærk nok, fordi det virkede i flere måneder, flere år, bare fint. Men efter at have cyklet og cyklet og cyklet, titusinder af cyklusser, det går i stykker, " sagde Hernandez. "Vi har kendt til denne egenskab ved materialer i 150 år, og det er indlejret i designet af alt, hvad vi laver. Men ikke alt for mange mennesker havde lavet denne form for undersøgelse af knoglen."

Knoglernes indre arkitektur består af lodrette pladelignende stivere, der bestemmer dens styrke, når den overbelastes. Knoglen har også vandrette stanglignende stivere, som har ringe indflydelse på styrken og i det væsentlige er "window dressing". Hernandez og hans team havde mistanke om, at andre aspekter af arkitektur var vigtige. Brug af ny computersoftware, hovedforfatter Ashley Torres, M.A. '15, Ph.D. '18, MBA '19, var i stand til at udføre en dybere analyse af en knogleprøve og fandt ud af, at når det kommer til at modstå langvarig slid, de vandrette stanglignende stivere er afgørende for at forlænge knoglens udmattelseslevetid.

"Hvis du kun belaster knoglen én gang, det handler om, hvor tæt den er, og tætheden bestemmes for det meste af de pladelignende stivere, " sagde Hernandez, som også er adjungeret videnskabsmand på Hospitalet for Specialkirurgi, et datterselskab af Weill Cornell Medicine. "Men hvis du tænker på, hvor mange cyklusser af lav størrelse belastning noget kan tage, disse små sidelæns kvistede stivere er det, der virkelig betyder noget. Når folk bliver ældre, de mister først disse vandrette stivere, øger sandsynligheden for, at knoglen knækker fra flere cykliske belastninger."

Holdet brugte en 3-D-printer til at fremstille knogle-inspireret materiale lavet af en urethan-methacrylat-polymer. Forskerne varierede tykkelsen af ​​stængerne og var i stand til at øge materialets udmattelseslevetid med op til 100 gange.

Hernandez forventer, at de forstærkede mikrostrukturgitre, som hans team udviklede, kan inkorporeres i stort set enhver enhed, og ville være særlig gavnlig for rumfartsindustrien, hvor ultralette materialer skal modstå enorme og gentagne belastninger.

"Hvert vindstød, som et fly rammer, forårsager en cyklus af lastning på det, så en flyvinge bliver lastet tusindvis af gange under hver flyvning, " sagde Hernandez. "Hvis du vil lave en holdbar enhed eller et køretøj, der er let og vil holde i lang tid, så er det virkelig vigtigt, hvor mange cyklusser af lastning delen kan tage, før den går i stykker. Og det matematiske forhold, vi har udledt i denne undersøgelse, lader nogen, der designer en af ​​disse gitterstrukturer, balancere behovet for stivhed og styrke under en enkelt belastning med behovene for at tolerere mange, mange belastningscyklusser på lavere niveau."