Los ingenieros diseñaron un material con la misma cantidad de estructuras en forma de varillas y placas que las trabéculas humanas y las organizaron en un patrón periódico, presentando una nueva forma de fortalecer las estructuras ligeras impresas en 3D. Crédito:Foto de la Universidad de Purdue / Pablo Zavattieri
¿Qué tienen en común los huesos y los edificios impresos en 3D? Ambos tienen columnas y vigas en el interior que determinan su duración.
Ahora, el descubrimiento de cómo una "viga" en material óseo humano maneja el desgaste de toda una vida podría traducirse en el desarrollo de materiales livianos impresos en 3D que duran lo suficiente para un uso más práctico en edificios, aviones y otras estructuras.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Cornell, Purdue University y Case Western Reserve University descubrieron que cuando imitaban este rayo y lo hacían un 30% más grueso, un material artificial podría durar hasta 100 veces más.
"Bone es un edificio. Tiene estas columnas que soportan la mayor parte de la carga y vigas que conectan las columnas. Podemos aprender de estos materiales para crear materiales impresos en 3D más robustos para edificios y otras estructuras, "dijo Pablo Zavattieri, profesor de la Escuela de Ingeniería Civil Lyles de Purdue.
Los huesos obtienen su durabilidad de una estructura esponjosa llamada trabéculas, que es una red de puntales en forma de placa vertical interconectados y puntales en forma de varilla horizontal que actúan como columnas y vigas. Cuanto más densas son las trabéculas, cuanto más resistente sea el hueso para las actividades diarias. Pero la enfermedad y la edad afectan esta densidad.
En un estudio publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , Los investigadores encontraron que aunque los puntales verticales contribuyen a la rigidez y fuerza de un hueso, en realidad, son los puntales horizontales aparentemente insignificantes los que aumentan la vida de fatiga del hueso.
El grupo de Christopher Hernandez en Cornell sospechaba que las estructuras de puntales horizontales eran importantes para la durabilidad de los huesos, contrariamente a las creencias comúnmente sostenidas en el campo sobre las trabéculas.
"Cuando la gente envejece, primero pierden estos puntales horizontales, aumentar la probabilidad de que el hueso se rompa debido a múltiples cargas cíclicas, "dijo Hernández, un profesor de mecánica, ingeniería aeroespacial y biomédica.
El estudio adicional de estas estructuras podría informar mejores formas de tratar a los pacientes que padecen osteoporosis.
Mientras tanto, Las casas y los espacios de oficina impresos en 3D se están abriendo camino en la industria de la construcción. Si bien es mucho más rápido y económico de producir que sus contrapartes tradicionales, incluso las capas de cemento impresas tendrían que ser lo suficientemente fuertes para hacer frente a desastres naturales, al menos tan bien como los hogares de hoy.
Ese problema podría resolverse rediseñando cuidadosamente la estructura interna, o "arquitectura, "del cemento en sí. El laboratorio de Zavattieri ha estado desarrollando materiales arquitectónicos inspirados en la naturaleza, potenciando sus propiedades y haciéndolas más funcionales.
Como parte de un esfuerzo continuo para incorporar las mejores tácticas de fuerza de la naturaleza en estos materiales, El laboratorio de Zavattieri contribuyó a las simulaciones de análisis mecánicos para determinar si los puntales horizontales podrían desempeñar un papel más importante en el hueso humano de lo que se pensaba anteriormente. Luego diseñaron polímeros impresos en 3D con arquitecturas similares a las trabéculas.
Esta imagen de un fémur humano muestra líneas blancas interconectadas, los puntales que forman el hueso esponjoso de las trabéculas. Los puntales horizontales más gruesos podrían aumentar la vida de fatiga del hueso, un estudio ha encontrado. Crédito:Foto de la Universidad de Cornell / Christopher Hernandez
Las simulaciones revelaron que los puntales horizontales eran fundamentales para prolongar la vida de fatiga del hueso.
"Cuando realizamos simulaciones de la microestructura ósea bajo carga cíclica, pudimos ver que las tensiones se concentrarían en estos puntales horizontales, y aumentando el grosor de estos puntales horizontales, pudimos mitigar algunas de las tensiones observadas, "dijo Adwait Trikanad, un coautor de este trabajo y Ph.D. en ingeniería civil. estudiante en Purdue.
La aplicación de cargas a los polímeros impresos en 3D inspirados en huesos confirmó este hallazgo. Cuanto más gruesos sean los puntales horizontales, cuanto más duraría el polímero mientras tomaba carga.
Debido a que el engrosamiento de los puntales no aumentó significativamente la masa del polímero, los investigadores creen que este diseño sería útil para crear materiales ligeros más resistentes.
"Cuando algo es liviano, podemos usar menos, ", Dijo Zavattieri." Crear un material más fuerte sin hacerlo más pesado significaría que las estructuras impresas en 3-D podrían construirse en su lugar y luego transportarse. Estos conocimientos sobre los huesos humanos podrían facilitar la incorporación de más materiales arquitectónicos a la industria de la construcción ".
