Hvordan naturen inspirerer stærkt, letvægtsmateriale til fly, bygninger og knogleimplantater

Materiale, der kommer fra et Princeton-forskningslaboratorium, er fyldt med huller - men det er en god ting. Designet til at efterligne knogler, træ og andre naturlige materialer, de porøse genstande er lettere end traditionelle produkter og kan indsættes strategisk i strukturer for at give højere stivhed i områder med stor efterspørgsel.

Disse porøse strukturer, skabt af forskere ved Princeton University og Georgia Tech, har spinodale mikrostrukturer - netværk af specialdesignede huller, der kan indstilles for at opnå optimeret adfærd på makroskalaen. I en ny undersøgelse, offentliggjort online 16. marts i tidsskriftet Advanced Materials, holdet kombinerede forskellige realiseringer af disse spinodale mikrostrukturer for at designe og prototype ansigtsimplantater til rekonstruktiv kirurgi og stive, lette dele til fly.

Davide Bigoni, professor i solid og strukturel mekanik ved University of Trento, som ikke var involveret i forskningen, kaldte resultaterne for et "gennembrud". Han sagde:"Forfatterne har fundet en smart måde at tillade en kontinuerlig overgang mellem zoner med forskellige arkitekturer. Dette er det ultimative koncept for biomimicking, da alle naturlige strukturer danner kontinuerlige systemer. Dette er en kendsgerning kendt siden oldtiden - 'natura non facit saltus' - naturen springer ikke."

Mange naturlige materialer, herunder knogler, dyrehorn, træ- og sanddollarskeletter, er fulde af huller. De tomme rum gør materialerne lette og tillader i nogle tilfælde kropsvæsker at bevæge sig gennem porerne. I knogler giver disse rum mulighed for en ombygningsproces, der gør knoglen mere eller mindre tæt som reaktion på fysiske krav. At skabe syntetiske materialer med lignende egenskaber har været en udfordring for ingeniører.

I det nye studie efterlignede forskerne disse naturlige materialer ved at designe mikrostrukturer med huller i forskellige størrelser, former og orienteringer. De nye objekter er kendt som arkitekterede materialer, som har tilpasset ydeevne baseret på forholdet mellem materiale og geometri. Hullerne kan være formet som kugler (som dem i sanddollarskeletter), diamanter (ben), søjler (træ) eller linser (horn). Forskerne kunne præge materialet med stivhed i forskellige retninger ved at variere formen. De kontrollerede materialets tæthed ved at ændre hullernes størrelse og ændrede hullernes orientering i et objekt for at øge stivheden i områder under belastning.

"Du har den faktiske struktur og mikrostrukturen, der arbejder sammen for at få overlegen ydeevne," sagde Fernando Vasconcelos da Senhora, en kandidatstuderende ved Georgia Tech og førsteforfatter på det nye studie.

For at demonstrere potentielle anvendelser designede og 3D-printede forskerne et ansigtsimplantat, såsom den slags, der bruges til at reparere en større ansigtsskade fra en bilulykke. I øjeblikket bruger kirurger plastik eller titanium til at skabe porøse implantater, der tillader knogler at vokse gennem huller, men disse implantater har ikke den samme tunerbarhed, som kan opnås med spinodale arkitekturer. Forskerne kombinerede sektioner med søjle- og linseformede huller for at skabe et implantat, der var stift nok til at modstå tyggekræfterne og havde den rigtige størrelse huller til at fremme knoglevækst og heling. Prototypeimplantatet var lavet af en fotopolymerharpiks, men det kunne 3D-printes ved hjælp af biokompatible materialer til fremtidig brug hos patienter.

Forskerne sagde, at teknikken åbner døren til at skabe implantater med mange forskellige typer materiale, fordi kombinationen af ​​geometri og materiale giver designere mulighed for at finjustere ydeevnen.

"Det er ikke grundmaterialet, der er bedre. Det er mikroskalaegenskaberne, der er bedre," sagde Emily Sanders, medforfatter og assisterende professor i maskinteknik ved Georgia Tech. "I teorien kunne vi lave stilladserne af ethvert materiale - det mest passende ville være at udforske biokompatible materialer."

For at vise en helt anden anvendelse kombinerede forskerne tre typer mikrostrukturer for at konstruere et jetmotorbeslag - en kritisk del af et fly, som holder motoren på plads og skal være både stærk og let.

"Vi har en teknik, der er ret kraftfuld i den forstand, at den kombinerer materialearkitekturer med optimering i forskellige skalaer og dens integration med additiv fremstilling," sagde Glaucio Paulino, Margareta E. Augustine professor i ingeniørvidenskab og hovedforsker på projektet. "Det kan have en bred vifte af applikationer i den forstand, at det skalerer, så det kan anvendes i nano- og mikroteknologi såvel som på meso- og makroskalaer."

Et centralt aspekt af materialernes succes er de sømløse overgange fra én type mikrostruktur til en anden inden for samme objekt. Et brat skifte mellem mikrostrukturer uden at forbinde netværket af porer ville få materialet til at splitte langs sømmene. Materialer fremstillet med spinodale mikrostrukturer er også mindre tilbøjelige til at have svage punkter, fordi hullerne opstår tilfældigt i stedet for i almindelige mønstre.

"En stor del var at finde ud af, hvordan man drager fordel af produktionsplatformen og [udregner] matematisk strukturen af ​​disse arkitektoniske materialer og derefter forbinder de to sammen, så vi rent faktisk kunne fremstille noget," sagde Sanders.

Holdet er allerede ved at udforske yderligere anvendelser af mikrostrukturerne. I øjeblikket er teknologien på prototypestadiet, men de er ivrige efter at teste materialernes egenskaber mere fuldstændigt. "Jeg er interesseret i at forstå de grundlæggende spørgsmål om, hvordan disse arkitektoniske materialer opfører sig," sagde Sanders.