I ricercatori di Cornell hanno fatto una nuova scoperta su come aspetti apparentemente minori della struttura interna dell'osso possono essere rafforzati per resistere all'usura ripetuta, una scoperta che potrebbe aiutare a curare i pazienti affetti da osteoporosi. Potrebbe anche portare alla creazione di prodotti più durevoli, materiali leggeri per l'industria aerospaziale.

La carta della squadra, "Le microarchitetture ispirate alle ossa raggiungono una maggiore durata della fatica, " è stato pubblicato il 18 novembre nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . I coautori includono gli studenti di dottorato di Cornell Cameron Aubin e Marysol Luna; ricercatore post-dottorato Floor Lambers; Pablo Zavattieri e Adwait Trikanad alla Purdue University; e Clare Rimnac alla Case Western Reserve University.

Per decenni, gli scienziati che studiano l'osteoporosi hanno utilizzato l'imaging a raggi X per analizzare la struttura delle ossa e individuare i punti forti e deboli. La densità è il fattore principale che di solito è legato alla forza ossea, e nel valutare quella forza, la maggior parte dei ricercatori osserva quanto carico può sopportare un osso tutto in una volta.

Ma un team guidato dall'autore senior Christopher J. Hernandez, professore associato alla Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering e alla Meinig School of Biomedical Engineering, è interessato alla vita a fatica a lungo termine, o quanti cicli di carico può sopportare un osso prima che si rompa.

"Il modo migliore per capire le proprietà a fatica del materiale è pensare a una parte della tua auto che si rompe di tanto in tanto, quindi devi portarlo in negozio. Bene, perchè si è rotto? Era chiaramente abbastanza forte, perché ha funzionato per mesi, anni, va bene. Ma dopo il ciclismo e il ciclismo e il ciclismo, decine di milioni di cicli, si rompe, " ha detto Hernandez. "Sappiamo di questa proprietà dei materiali da 150 anni, ed è incorporato nel design di tutto ciò che facciamo. Ma non troppe persone avevano fatto questo tipo di studio delle ossa".

L'architettura interna dell'osso è costituita da montanti verticali simili a piastre che determinano la sua forza quando sovraccaricato. L'osso ha anche puntoni orizzontali a forma di asta, che hanno poca influenza sulla forza e sono essenzialmente "vestiti da vetrina". Hernandez e il suo team sospettavano che altri aspetti dell'architettura fossero importanti. Utilizzando un nuovo software per computer, l'autrice principale Ashley Torres, MA '15, dottorato di ricerca '18, MBA '19, è stato in grado di eseguire un'analisi più approfondita di un campione osseo e ha scoperto che, quando si tratta di resistere all'usura a lungo termine, i puntoni orizzontali a forma di asta sono fondamentali per prolungare la vita a fatica dell'osso.

"Se carichi l'osso solo una volta, è tutto su quanto è denso, e la densità è determinata principalmente dai montanti a piastra, " disse Hernandez, che è anche ricercatore aggiunto presso l'Ospedale di Chirurgia Speciale, un'affiliata di Weill Cornell Medicine. "Ma se pensi a quanti cicli di carico di bassa magnitudo può richiedere qualcosa, questi piccoli montanti twiggy laterali sono ciò che conta davvero. Quando le persone invecchiano, perdono prima questi montanti orizzontali, aumentando la probabilità che l'osso si rompa da più carichi ciclici."

Il team ha utilizzato una stampante 3D per produrre materiale ispirato all'osso realizzato con un polimero di metacrilato di uretano. I ricercatori hanno variato lo spessore delle barre e sono stati in grado di aumentare la durata a fatica del materiale fino a 100 volte.

Hernandez prevede che i reticoli della microstruttura rinforzata sviluppati dal suo team potrebbero essere incorporati in quasi tutti i dispositivi, e sarebbe particolarmente vantaggioso per l'industria aerospaziale, dove i materiali ultraleggeri devono resistere a sollecitazioni tremende e ripetute.

"Ogni raffica di vento che colpisce un aereo provoca un ciclo di carico su di esso, così un'ala di aeroplano viene caricata migliaia di volte durante ogni volo, " ha detto Hernandez. "Se vuoi realizzare un dispositivo durevole o un veicolo che sia leggero e durerà a lungo, allora è davvero importante quanti cicli di caricamento può richiedere la parte prima che si rompa. E la relazione matematica che abbiamo derivato in questo studio consente a qualcuno che sta progettando una di queste strutture reticolari di bilanciare le esigenze di rigidità e resistenza sotto un singolo carico con le esigenze di tollerare molti, molti cicli di carico di livello inferiore."