La mayoría de las personas pueden identificarse con que el cargador de una computadora portátil se rompa justo donde el cable flexible se une al adaptador sólido. Este es sólo un ejemplo de lo difícil que es interconectar eficazmente materiales duros y blandos. Utilizando un proceso de impresión 3D único, los investigadores de TU Delft produjeron interfaces híbridas de múltiples materiales que alcanzaron una notable cercanía al diseño natural de las conexiones hueso-tendón. Los resultados de su investigación, publicados recientemente en Nature Communications , tienen numerosas aplicaciones potenciales.
A pesar de la gran diferencia de dureza entre huesos y tendones, sus intersecciones en el cuerpo humano nunca fallan. Es esta conexión hueso-tendón la que inspiró a un equipo de investigadores de la facultad de Ingeniería Mecánica, Marítima y de Materiales (3mE) a explorar formas de optimizar las interfaces duras y blandas de los materiales fabricados por el hombre.
Siempre que hay un desajuste entre dos materiales conectados, se produce una concentración de tensión, explica Amir Zadpoor, profesor de Biomateriales y Biomecánica de Tejidos. Eso significa que la tensión mecánica llega al punto de conexión y normalmente provoca la falla del material más blando. Una de las cosas que se ven en la naturaleza es un cambio gradual en las propiedades de una interfaz.
"Un material duro no se convierte de repente en un material blando", afirma Zadpoor. "Esto cambia gradualmente y eso suaviza la concentración del estrés". Con eso en mente, los investigadores utilizaron diferentes geometrías y una técnica de impresión 3D multimaterial para aumentar el área de contacto entre las interfaces duras y blandas, emulando así el diseño de la naturaleza.
Otra consideración de diseño es que la fuerza que un material blando puede tolerar antes de fallar es menor que la de un material duro. "Sólo es relevante hacer que la interfaz sea tan fuerte como el material blando, porque si es más fuerte, el material blando fallará de todos modos y ese es su límite teórico", dice el Dr. Mauricio Cruz Saldívar, primer autor del manuscrito.
Los investigadores pudieron mejorar los valores de dureza de las interfaces en un 50% en comparación con un grupo de control. Acercarse al límite de lo teóricamente posible es una de las principales aportaciones de esta investigación, según el equipo. Pero el estudio también dio como resultado un conjunto de pautas de diseño para mejorar el rendimiento mecánico de las interfaces blandas y duras bioinspiradas, principios que son universalmente aplicables.
Un producto completo de una sola vez
La técnica desarrollada por el equipo también permite fabricar un producto completo a la vez. Esto es importante porque los productos con múltiples materiales generalmente se unen mediante adhesivos. Las piezas pueden ensamblarse o conectarse mecánicamente como en aplicaciones automotrices o aeroespaciales.
"Pero lo que estamos tratando de hacer es eliminar los pasos adicionales que implican y tener todo de una sola vez", dice el profesor asistente Zjenja Doubrovski. "Esto nos permite combinar materiales aún más exóticos, por ejemplo, materiales que tienen más resistencia a la amortiguación que materiales que son más fuertes". Y esta combinación permite un mayor rango de aplicabilidad.
Se pueden hacer muchas cosas con esta tecnología. Las aplicaciones potenciales incluyen dispositivos médicos, robótica blanda y dispositivos flexibles. Pero el equipo también pretende explorar la creación de interfaces con células vivas para permitir procedimientos como conectar implantes al tejido blando circundante.
"Con el tiempo, nos gustaría regenerar el hueso y la conexión entre hueso y músculo", dice el profesor asistente Mohammad J. Mirzaali. "Eso significaría integrar células vivas en esta interfaz, lo que agregaría múltiples capas de complejidad a la construcción". En última instancia, los resultados de este trabajo dejan la puerta abierta a una serie de estudios futuros.
Más información: M. C. Saldívar et al, Diseño racional bioinspirado de interfaces blandas-duras impresas en 3D con dos materiales, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43422-9
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Delft
