Cornell -forskare har gjort en ny upptäckt om hur till synes mindre aspekter av benets inre struktur kan stärkas för att motstå upprepat slitage, ett fynd som kan hjälpa till att behandla patienter som lider av osteoporos. Det kan också leda till skapandet av mer hållbara, lätta material för flygindustrin.

Lagets papper, "Beninspirerade mikroarkitekturer uppnår ett förbättrat trötthetsliv, "publicerades 18 november i Förfaranden från National Academy of Sciences . Medförfattare inkluderar Cornell-doktorander Cameron Aubin och Marysol Luna; postdoktor Golvlammare; Pablo Zavattieri och Adwait Trikanad vid Purdue University; och Clare Rimnac vid Case Western Reserve University.

I årtionden, forskare som studerar osteoporos har använt röntgenbilder för att analysera benstrukturen och identifiera starka och svaga fläckar. Densitet är den viktigaste faktorn som vanligtvis är kopplad till benstyrka, och vid bedömningen av den styrkan, de flesta forskare tittar på hur mycket belastning ett ben kan hantera på en gång.

Men ett team som leds av seniorförfattaren Christopher J. Hernandez, docent vid Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering och i Meinig School of Biomedical Engineering, är intresserad av långvarig trötthet, eller hur många belastningscykler ett ben kan bära innan det går sönder.

"Det bästa sättet att förstå materialets trötthetsegenskaper är att tänka på en del i din bil som går sönder så ofta, så du måste ta den till affären. Väl, varför gick det sönder? Det var helt klart tillräckligt starkt, för det fungerade i månader, år, bara bra. Men efter cykling och cykling och cykling, tiotals miljoner cykler, det går sönder, "Hernandez sa." Vi har känt till denna materialegenskap i 150 år, och det är inbäddat i designen av allt vi gör. Men inte för många människor hade gjort den här typen av undersökning av benet. "

Den inre arkitekturen hos ben består av vertikala plattliknande stag som bestämmer dess styrka vid överbelastning. Benet har också horisontella stavliknande stöttor, som har litet inflytande på styrkan och i huvudsak är "fönsterförband". Hernandez och hans team misstänkte att andra aspekter av arkitektur var viktiga. Med hjälp av ny datorprogramvara, huvudförfattare Ashley Torres, M.A. '15, Ph.D. '18, MBA '19, kunde utföra en djupare analys av ett benprov och fann att, när det gäller att motstå långvarigt slitage, de horisontella stavliknande stagen är avgörande för att förlänga benets trötthet.

"Om du bara laddar benet en gång, allt handlar om hur tät den är, och densiteten bestäms mestadels av de plattliknande stagen, "sa Hernandez, som också är adjungerad forskare vid Hospital for Special Surgery, ett dotterbolag till Weill Cornell Medicine. "Men om du tänker på hur många cykler med låg belastning något kan ta, dessa små sidled twiggy struts är det som verkligen spelar roll. När människor åldras, de tappar först dessa horisontella stag, öka sannolikheten för att benet kommer att bryta från flera cykliska belastningar. "

Teamet använde en 3D-skrivare för att tillverka beninspirerat material tillverkat av en uretanmetakrylatpolymer. Forskarna varierade tjockleken på stavarna och kunde öka materialets trötthet med upp till 100 gånger.

Hernandez räknar med att de förstärkta mikrostrukturgitter som hans team utvecklat kan införlivas i nästan vilken enhet som helst, och skulle vara särskilt fördelaktigt för flygindustrin, där ultralätt material måste tåla enorm och upprepad belastning.

"Varje vindstöt som ett flygplan träffar orsakar en laddningscykel på det, så en flygplansvinga laddas tusentals gånger under varje flygning, "Sa Hernandez." Om du vill göra en hållbar enhet eller ett fordon som är lätt och kommer att hålla länge, då spelar det verkligen roll hur många laddningscykler som kan ta innan den går sönder. Och det matematiska förhållande vi har härlett i denna studie låter någon som utformar en av dessa gitterstrukturer balansera behoven för styvhet och styrka under en enda belastning med behoven för att tolerera många, många lägre belastningscykler. "