Gli ingegneri hanno progettato un materiale con la stessa quantità di strutture simili a bastoncelli e placche delle trabecole umane e le hanno disposte secondo uno schema periodico, presentando un nuovo modo per rafforzare strutture leggere stampate in 3D. Credito:foto della Purdue University/Pablo Zavattieri
Cosa hanno in comune le ossa e gli edifici stampati in 3D? Entrambi hanno colonne e travi all'interno che determinano la loro durata.
Ora, la scoperta di come un "raggio" in materiale osseo umano gestisce l'usura di una vita potrebbe tradursi nello sviluppo di materiali leggeri stampati in 3D che durano abbastanza a lungo per un uso più pratico negli edifici, aerei e altre strutture.
Un team di ricercatori della Cornell University, La Purdue University e la Case Western Reserve University hanno scoperto che quando imitavano questo raggio e lo rendevano più spesso del 30% circa, un materiale artificiale potrebbe durare fino a 100 volte di più.
"L'osso è un edificio. Ha queste colonne che portano la maggior parte del carico e travi che collegano le colonne. Possiamo imparare da questi materiali per creare materiali stampati in 3D più robusti per edifici e altre strutture, " disse Pablo Zavattieri, un professore alla Lyles School of Civil Engineering di Purdue.
Le ossa ottengono la loro durata da una struttura spugnosa chiamata trabecole, che è una rete di puntoni verticali simili a piastre interconnessi e puntoni orizzontali a forma di asta che fungono da colonne e travi. Più dense sono le trabecole, più resistente è l'osso per le attività quotidiane. Ma la malattia e l'età influenzano questa densità.
In uno studio pubblicato su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , i ricercatori hanno scoperto che anche se i montanti verticali contribuiscono alla rigidità e alla forza di un osso, in realtà sono i montanti orizzontali apparentemente insignificanti che aumentano la vita a fatica dell'osso.
Il gruppo di Christopher Hernandez alla Cornell aveva sospettato che le strutture a puntone orizzontali fossero importanti per la durata dell'osso, contrariamente alle credenze comunemente diffuse nel campo delle trabecole.
"Quando le persone invecchiano, perdono prima questi montanti orizzontali, aumentando la probabilità che l'osso si rompa da più carichi ciclici, " disse Hernandez, un professore di meccanica, ingegneria aerospaziale e biomedica.
Studiare ulteriormente queste strutture potrebbe fornire informazioni su modi migliori per trattare i pazienti affetti da osteoporosi.
Nel frattempo, Case e uffici stampati in 3D si stanno facendo strada nel settore delle costruzioni. Sebbene siano molto più veloci ed economici da produrre rispetto alle loro controparti tradizionali, anche gli strati di cemento stampati dovrebbero essere abbastanza resistenti da gestire i disastri naturali, almeno così come le case di oggi.
Tale problema potrebbe essere risolto ridisegnando attentamente la struttura interna, o "architettura, " del cemento stesso. Il laboratorio di Zavattieri ha sviluppato materiali architettonici ispirati alla natura, esaltandone le proprietà e rendendole più funzionali.
Come parte di uno sforzo continuo per incorporare le migliori tattiche di forza della natura in questi materiali, Il laboratorio di Zavattieri ha contribuito alle simulazioni di analisi meccanica determinando se i puntoni orizzontali potrebbero svolgere un ruolo più importante nell'osso umano di quanto si pensasse in precedenza. Hanno quindi progettato polimeri stampati in 3D con architetture simili alle trabecole.
Questa immagine di un femore umano mostra linee bianche interconnesse, i puntoni che compongono l'osso spugnoso delle trabecole. I montanti orizzontali più spessi potrebbero aumentare la vita a fatica dell'osso, uno studio ha trovato. Credito:foto della Cornell University/Christopher Hernandez
Le simulazioni hanno rivelato che i montanti orizzontali erano fondamentali per prolungare la vita a fatica dell'osso.
"Quando abbiamo eseguito simulazioni della microstruttura ossea sotto carico ciclico, abbiamo potuto vedere che le sollecitazioni si sarebbero concentrate in questi puntoni orizzontali, e aumentando lo spessore di questi puntoni orizzontali, siamo stati in grado di mitigare alcuni dei ceppi osservati, " disse Adwait Trikanad, un coautore di questo lavoro e un dottorato di ricerca in ingegneria civile. studente alla Purdue.
L'applicazione di carichi ai polimeri stampati in 3D ispirati all'osso ha confermato questo risultato. Più spessi sono i montanti orizzontali, più a lungo sarebbe durato il polimero mentre si caricava.
Poiché l'ispessimento dei montanti non ha aumentato significativamente la massa del polimero, i ricercatori ritengono che questo design sarebbe utile per creare materiali leggeri più resistenti.
"Quando qualcosa è leggero, possiamo usarne di meno, " Ha detto Zavattieri. "Creare un materiale più forte senza renderlo più pesante significherebbe che le strutture stampate in 3D potrebbero essere costruite sul posto e poi trasportate. Queste intuizioni sull'osso umano potrebbero essere un elemento abilitante per portare più materiali architettati nel settore delle costruzioni".
