Ingenjörer designade ett material med samma mängd stav- och plattliknande strukturer som mänskliga trabeculae och arrangerade dem i ett periodiskt mönster, presenterar ett nytt sätt att stärka lätta 3D-printade strukturer. Kredit:Purdue University foto/Pablo Zavattieri
Vad har ben och 3D-printade byggnader gemensamt? De har båda pelare och balkar på insidan som avgör hur länge de håller.
Nu, upptäckten av hur en "stråle" i mänskligt benmaterial hanterar livstids slitage kan översättas till utvecklingen av 3-D-tryckta lättviktsmaterial som håller tillräckligt länge för mer praktisk användning i byggnader, flygplan och andra strukturer.
Ett team av forskare vid Cornell University, Purdue University och Case Western Reserve University fann att när de härmade den här strålen och gjorde den cirka 30 % tjockare, ett konstgjort material kan hålla upp till 100 gånger längre.
"Bone är en byggnad. Den har dessa kolonner som bär det mesta av lasten och balkar som förbinder kolonnerna. Vi kan lära av dessa material för att skapa mer robusta 3-D-tryckta material för byggnader och andra strukturer, sa Pablo Zavattieri, professor vid Purdues Lyles School of Civil Engineering.
Ben får sin hållbarhet från en svampig struktur som kallas trabeculae, som är ett nätverk av sammankopplade vertikala plattliknande stag och horisontella stavliknande stag som fungerar som pelare och balkar. Ju tätare trabeculae, desto mer motståndskraftig är benet för vardagliga aktiviteter. Men sjukdom och ålder påverkar denna täthet.
I en studie publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences , forskarna fann att även om de vertikala stöttorna bidrar till ett bens styvhet och styrka, det är faktiskt de till synes obetydliga horisontella strävorna som ökar utmattningslivet hos ben.
Christopher Hernandez grupp på Cornell hade misstänkt att horisontella stödstrukturer var viktiga för benets hållbarhet, i motsats till allmän uppfattning inom området om trabeculae.
"När människor åldras, de tappar först dessa horisontella stag, öka sannolikheten för att benet kommer att gå sönder från flera cykliska belastningar, sa Hernandez, professor i mekanik, flyg- och biomedicinsk teknik.
Att studera dessa strukturer ytterligare skulle kunna ge bättre sätt att behandla patienter som lider av osteoporos.
Under tiden, 3-D-printade hus och kontorslokaler är på väg in i byggbranschen. Även om det är mycket snabbare och billigare att producera än sina traditionella motsvarigheter, även tryckta lager av cement skulle behöva vara tillräckligt starka för att hantera naturkatastrofer – minst lika bra som dagens hem.
Det problemet skulle kunna lösas genom att noggrant omforma den interna strukturen, eller "arkitektur, " av själva cementen. Zavattieris labb har utvecklat arkitektoniska material inspirerade av naturen, förbättra deras egenskaper och göra dem mer funktionella.
Som en del av en pågående strävan att införliva naturens bästa styrketaktik i dessa material, Zavattieris labb bidrog till mekaniska analyssimuleringar som avgjorde om horisontella strävor kan spela en större roll i mänskligt ben än tidigare trott. De designade sedan 3-D-tryckta polymerer med arkitekturer som liknar trabeculae.
Den här bilden av ett mänskligt lårben visar sammankopplade vita linjer, strävorna som utgör svampigt trabeculae ben. Tjockare horisontella stag kan öka utmattningslivslängden för ben, en studie har funnit. Kredit:Cornell University foto/Christopher Hernandez
Simuleringarna visade att de horisontella stöttorna var avgörande för att förlänga utmattningslivslängden för ben.
"När vi körde simuleringar av benmikrostrukturen under cyklisk belastning, vi kunde se att spänningarna skulle koncentreras i dessa horisontella stag, och genom att öka tjockleken på dessa horisontella stag, vi kunde mildra några av de observerade stammarna, " sa Adwait Trikanad, en medförfattare på detta arbete och civilingenjör Ph.D. student vid Purdue.
Att applicera belastningar på de beninspirerade 3D-tryckta polymererna bekräftade detta fynd. Ju tjockare horisontella stag, desto längre skulle polymeren hålla när den tog på sig belastning.
Eftersom förtjockning av strävorna inte märkbart ökade polymerens massa, forskarna tror att denna design skulle vara användbar för att skapa mer motståndskraftiga lättviktsmaterial.
"När något är lätt, vi kan använda mindre av det, ", sa Zavattieri. "Att skapa ett starkare material utan att göra det tyngre skulle innebära att 3D-tryckta strukturer kunde byggas på plats och sedan transporteras. Dessa insikter om mänskligt ben kan vara en möjliggörare för att ta med mer arkitektonerade material till byggbranschen."
