Ben är inte bara ett fast material – det är en dynamisk uppsättning strukturer som kan anpassa sin massa och styrka baserat på de belastningar de måste stödja.

Att utveckla den typen av adaptivt material har länge varit forskarnas dröm. Nu för första gången, forskare vid Pritzker School of Molecular Engineering (PME) vid University of Chicago har utvecklat ett gelmaterial som stärks när det utsätts för vibrationer.

Inte bara kunde forskare göra materialet 66 gånger starkare genom vibrationer, de kunde också stärka endast de områden som var utsatta för rörelse. Den typen av specificitet kan leda till nya lim och bättre sätt att integrera implantat i kroppen.

Resultaten publicerades den 22 februari i tidskriften Naturmaterial .

"Allt annat material blir svagare när det vibreras, " sa assistent prof. Aaron Esser-Kahn, som ledde forskningen. "Det här är första gången vi har vänt den processen, visar att ett material kan stärka sig med mekanisk vibration."

Bildar ett andra nätverk inom materialet

När Esser-Kahn och hans grupp började fundera på hur man utvecklar adaptiva material, de försökte dra fördel av den piezoelektriska effekten, vilket ger vissa material förmågan att generera en elektrisk laddning som svar på mekanisk stress. En sådan anklagelse skulle kunna orsaka en reaktion i ett material och stärka det, föreslog de.

Men att generera rätt svar på mekanisk stress visade sig vara svårt. Teamet testade dussintals olika kemier innan de hittade den som fungerade:en polymergel blandad med tiolenreaktorer och piezoelektriska zinkoxidpartiklar.

När materialet vibreras, partiklarna omvandlar energi och skapar en tiolenreaktion, vilket gör att komponenterna i materialet tvärbinds. Den tvärbindningen utgör i huvudsak ett andra nätverk inuti materialet, stärka den.

Även om materialet började som ett mjukt, kollagenmaterial, när vibrationen ökade, materialet stärktes mer och mer. Teamet kunde öka styrkan på materialet till 66 gånger dess ursprungliga styrka, slutar med ett material som var nära styvheten i de inre delarna av ben.

"Precis som ben, materialet stärktes till den exakta mängden kraft vi lägger i det, " sa Esser-Kahn. Inte bara det, materialet stärktes inte bara genomgående – det stärkte sig selektivt på specifika områden där det belastades i högre grad.

Skapa nya typer av lim som integreras med kroppen

Den typen av selektiv förstärkning kan leda till material som selektivt kan stelna - och ett nytt sätt att designa strukturer. Kanske kan det bli en del av en byggnad som blir starkare när den åldras, eller användas för att fästa ihop material i ett flygplan.

"Lim kan påverkas enormt av detta, ", sade Esser-Kahn. "Lim är nästan alltid punkten för fel i material. Detta kan leda till specialiserade lim som fäster och härdar mycket bättre."

Gruppen undersöker hur man använder materialet för att bättre integrera konstgjorda material i människokroppen - i höftimplantat, till exempel.

"Inga människor är den andra lik, och ett sådant här material är hur vi börjar tillverka material som beter sig på samma sätt som de som finns i biologi, "Sade Esser-Kahn.

Andra författare på uppsatsen inkluderar postdoktorala forskare Zhao Wang, Jun Wang, och Saikat Manna; doktorand Jorge Ayarza; tidigare doktorand forskare Tim Steeves; och Ziying Hu från Northwestern University.