Ingenjörer har utvecklat ett nytt material som efterliknar mänskligt brosk – kroppens stötdämpande och smörjsystem, och det kan förebåda utvecklingen av en ny generation av lättviktslager.

Brosk är en mjuk fibrös vävnad som finns runt lederna som ger skydd mot den tryckbelastning som genereras av att gå, springa eller lyfta. Det ger också ett skyddande, smörjande lager som låter ben passera över varandra på ett friktionsfritt sätt. I åratal, forskare har försökt att skapa ett syntetiskt material med egenskaperna hos brosk.

Hittills, de har haft blandade resultat.

Men i en tidning publicerad i tidskriften Tillämpade polymermaterial , forskare vid University of Leeds och Imperial College London har meddelat att de har skapat ett material som fungerar som brosk.

Forskargruppen tror att ett broskliknande material skulle ha ett brett användningsområde inom teknik.

Brosk är ett tvåfasiskt poröst material, vilket betyder att det finns i fasta och flytande faser. Den växlar till sin flytande fas genom att absorbera en trögflytande substans som produceras i lederna som kallas ledvätska. Denna vätska smörjer inte bara lederna utan när den hålls i broskets porösa matris, det ger en hydroelastisk dämpning mot tryckkrafter.

Eftersom brosket är poröst, ledvätskan rinner så småningom bort och som den gör, det hjälper till att skingra energikrafterna som färdas genom kroppen, skydda lederna från slitage och stötskador. Vid denna tidpunkt återgår brosket till sin sålda fas, redo för att cykeln ska upprepas.

Dr Siavash Soltanahmadi, Forskarassistent vid School of Mechanical Engineering i Leeds, som ledde forskningen, sa:"Forskare och ingenjörer har försökt i flera år att utveckla ett material som har broskets fantastiska egenskaper. Vi har nu utvecklat ett material för tekniska tillämpningar som efterliknar några av de viktigaste egenskaperna som finns i brosk, och det har bara varit möjligt för att vi har hittat ett sätt att härma hur naturen gör det.

"Det finns många tillämpningar inom teknik för ett syntetiskt material som är mjukt men som tål tung belastning med minimalt slitage, som i lager. Det finns potential inom tekniken för ett material som beter sig som brosk."

Tidigare försök att utveckla ett syntetiskt brosksystem har fokuserat på användningen av hydrogeler, material som absorberar vatten. Hydrogeler är bra på att minska friktionen men fungerar dåligt när de är under tryckkraft.

Ett av problemen är att det tar tid för hydrogelen att återgå till sin normala form efter att den har komprimerats.

Forskarna har övervunnit detta problem genom att skapa ett syntetiskt poröst material tillverkat av en hydrogel som hålls i en matris av polydimetylsiloxan eller PDMS - en silikonbaserad polymer. Matrisen håller formen på hydrogelen.

I tidningen, forskarna rapporterar att det bärande beteendet hos hydrogelen i PDMS-matrisen var 14 till 19 gånger större än hydrogelen ensam. Jämviktselasticitetsmodulen för kompositen var 452 kPa vid ett töjningsintervall på 10%-30%, nära de värden som rapporterats för den testade broskmodulen.

Hydrogelen gav också ett smörjande skikt.

Forskarna tror att framtida tillämpningar av ett nytt material baserat på broskets funktion skulle utmana många traditionella oljesmorda tekniska system.

Dr Michael Bryant, Docent vid Högskolan för maskinteknik, som ledde forskningen, sa; "Förmågan att använda vatten som ett effektivt smörjmedel har många tillämpningar från energigenerering till medicinsk utrustning. Men detta kräver ofta ett annat tillvägagångssätt jämfört med traditionella tekniska system som ofta använder oljebaserade smörjmedel och hårda ytbeläggningar.

"Det här projektet har hjälpt oss att bättre förstå dessa krav och utveckla nya verktyg för att möta detta behov."

Pappret, Tillverkning av broskinspirerade hydrogel/entangled polymer-elastomer-strukturer som har porelastiska egenskaper, publiceras i tidskriften Tillämpade polymermaterial .