Bygninger i menneskelig knogle kan være nøglen til stærkere 3-D-printede letvægtsstrukturer

Hvad har knogler og 3-D-printede bygninger til fælles? De har begge søjler og bjælker på indersiden, der bestemmer, hvor længe de holder.

Nu, opdagelsen af, hvordan en "bjælke" i menneskeligt knoglemateriale håndterer et helt livs slid, kunne oversættes til udviklingen af ​​3-D-printede letvægtsmaterialer, der holder længe nok til mere praktisk brug i bygninger, fly og andre strukturer.

Et team af forskere ved Cornell University, Purdue University og Case Western Reserve University fandt ud af, at når de efterlignede denne stråle og gjorde den omkring 30 % tykkere, et kunstigt materiale kunne holde op til 100 gange længere.

"Bone er en bygning. Den har disse søjler, der bærer det meste af belastningen, og bjælker, der forbinder søjlerne. Vi kan lære af disse materialer for at skabe mere robuste 3-D-printede materialer til bygninger og andre strukturer, " sagde Pablo Zavattieri, en professor ved Purdues Lyles School of Civil Engineering.

Knogler får deres holdbarhed fra en svampet struktur kaldet trabeculae, som er et netværk af indbyrdes forbundne lodrette pladelignende stivere og vandrette stanglignende stivere, der fungerer som søjler og bjælker. Jo tættere trabeklerne er, jo mere modstandsdygtig knogle til hverdagsaktiviteter. Men sygdom og alder påvirker denne tæthed.

I en undersøgelse offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences , forskerne fandt ud af, at selvom de lodrette stivere bidrager til en knogles stivhed og styrke, det er faktisk de tilsyneladende ubetydelige vandrette stivere, der øger knoglernes træthedslevetid.

Christopher Hernandez' gruppe hos Cornell havde mistanke om, at vandrette støttestrukturer var vigtige for knoglernes holdbarhed, i modsætning til den almindelige opfattelse på området om trabekler.

"Når folk bliver ældre, de mister først disse vandrette stivere, øger sandsynligheden for, at knoglen knækker fra flere cykliske belastninger, " sagde Hernandez, en professor i mekanisk, rumfart og biomedicinsk teknik.

At studere disse strukturer yderligere kunne informere om bedre måder at behandle patienter, der lider af osteoporose.

I mellemtiden 3-D-printede huse og kontorlokaler er på vej ind i byggebranchen. Selvom det er meget hurtigere og billigere at producere end deres traditionelle modstykker, selv trykte lag af cement skulle være stærke nok til at håndtere naturkatastrofer – mindst lige så godt som nutidens hjem.

Det problem kunne løses ved omhyggeligt at omdesigne den interne struktur, eller "arkitektur, " af selve cementen. Zavattieris laboratorium har udviklet arkitektoniske materialer inspireret af naturen, forbedre deres egenskaber og gøre dem mere funktionelle.

Som en del af en løbende indsats for at inkorporere naturens bedste styrketaktikker i disse materialer, Zavattieris laboratorium bidrog til mekaniske analysesimuleringer, der afgjorde, om vandrette stivere kunne spille en større rolle i menneskelig knogle end tidligere antaget. De designede derefter 3-D-printede polymerer med arkitekturer, der ligner trabeculae.

Simuleringerne afslørede, at de vandrette stivere var afgørende for at forlænge træthedslevetiden for knogler.

"Da vi kørte simuleringer af knoglemikrostrukturen under cyklisk belastning, vi var i stand til at se, at stammerne ville blive koncentreret i disse vandrette stivere, og ved at øge tykkelsen af ​​disse vandrette stivere, vi var i stand til at afbøde nogle af de observerede stammer, " sagde Adwait Trikanad, en medforfatter på dette arbejde og civilingeniør Ph.D. studerende ved Purdue.

Påføring af belastninger på de knogle-inspirerede 3-D-printede polymerer bekræftede dette fund. Jo tykkere de vandrette stivere, jo længere vil polymeren holde, når den påtog sig belastning.

Fordi fortykkelse af stiverne ikke øgede polymerens masse væsentligt, forskerne mener, at dette design ville være nyttigt til at skabe mere elastiske letvægtsmaterialer.

"Når noget er let, vi kan bruge mindre af det, " sagde Zavattieri. "At skabe et stærkere materiale uden at gøre det tungere ville betyde, at 3-D-printede strukturer kunne bygges på plads og derefter transporteres. Disse indsigter om menneskelige knogler kunne være en mulighed for at bringe mere arkitektonerede materialer ind i byggebranchen."