Ingenieurs hebben een nieuw materiaal ontwikkeld dat menselijk kraakbeen nabootst:het schokabsorberende en smeersysteem van het lichaam, en het zou de ontwikkeling van een nieuwe generatie lichtgewicht lagers kunnen inluiden.

Kraakbeen is een zacht vezelig weefsel dat rond gewrichten wordt aangetroffen en dat bescherming biedt tegen de drukbelasting die wordt gegenereerd door lopen, rennen of tillen. Het biedt ook een beschermende, smerende laag waardoor botten wrijvingsloos over elkaar kunnen gaan. Voor jaren, wetenschappers hebben geprobeerd een synthetisch materiaal te maken met de eigenschappen van kraakbeen.

Daten, ze hebben gemengde resultaten gehad.

Maar in een paper gepubliceerd in het tijdschrift Toegepaste polymeermaterialen , onderzoekers van de University of Leeds en Imperial College London hebben aangekondigd dat ze een materiaal hebben gemaakt dat functioneert als kraakbeen.

Het onderzoeksteam gelooft dat een kraakbeenachtig materiaal een breed scala aan toepassingen in de techniek zou hebben.

Kraakbeen is een bifasisch poreus materiaal, wat betekent dat het bestaat in vaste en vloeibare fasen. Het schakelt over naar de vloeibare fase door een stroperige substantie te absorberen die in de gewrichten wordt geproduceerd, synoviale vloeistof genaamd. Deze vloeistof smeert niet alleen de gewrichten, maar wanneer ze in de poreuze matrix van het kraakbeen wordt vastgehouden, het biedt een hydro-elastisch kussen tegen drukkrachten.

Omdat het kraakbeen poreus is, de gewrichtsvloeistof loopt uiteindelijk weg en terwijl het dat doet, het helpt de energiekrachten die door het lichaam reizen te verdrijven, gewrichten beschermen tegen slijtage en stoten. Op dit punt keert het kraakbeen terug naar de verkochte fase, klaar om de cyclus te herhalen.

Dr. Siavash Soltanahmadi, Research Fellow aan de School of Mechanical Engineering in Leeds, die het onderzoek leidde, zei:"Wetenschappers en ingenieurs proberen al jaren een materiaal te ontwikkelen dat de verbazingwekkende eigenschappen van kraakbeen heeft. We hebben nu een materiaal ontwikkeld voor technische toepassingen dat enkele van de belangrijkste eigenschappen van kraakbeen nabootst, en het is alleen mogelijk geweest omdat we een manier hebben gevonden om de manier waarop de natuur dat doet, na te bootsen.

"Er zijn veel toepassingen in de techniek voor een synthetisch materiaal dat zacht is maar bestand is tegen zware belasting met minimale slijtage, zoals in lagers. Er is potentieel in de techniek voor een materiaal dat zich als kraakbeen gedraagt."

Eerdere pogingen om een ​​synthetisch kraakbeensysteem te ontwikkelen, waren gericht op het gebruik van hydrogels, materialen die water opnemen. Hydrogels zijn goed in het verminderen van wrijving, maar presteren slecht onder drukkracht.

Een van de problemen is dat het tijd kost voordat de hydrogel zijn normale vorm terugkrijgt nadat deze is samengeperst.

De onderzoekers hebben dit probleem overwonnen door een synthetisch poreus materiaal te maken dat is gemaakt van een hydrogel die wordt vastgehouden in een matrix van polydimethylsiloxaan of PDMS - een polymeer op siliconenbasis. De matrix behoudt de vorm van de hydrogel.

In de krant, de wetenschappers melden dat het dragende gedrag van de hydrogel in de PDMS-matrix 14 tot 19 keer groter was dan die van de hydrogel alleen. De evenwichts-elastische modulus van het composiet was 452 kPa bij een spanningsbereik van 10%-30%, dicht bij de waarden die zijn gerapporteerd voor de geteste kraakbeenmodulus.

De hydrogel zorgde ook voor een smerende laag.

De wetenschappers geloven dat toekomstige toepassingen van een nieuw materiaal gebaseerd op de functie van kraakbeen veel traditionele oliegesmeerde technische systemen zouden uitdagen.

Dr. Michael Bryant, Universitair hoofddocent aan de faculteit Werktuigbouwkunde, die het onderzoek begeleidde, zei; "Het vermogen om water als een effectief smeermiddel te gebruiken, heeft vele toepassingen, van energieopwekking tot medische apparaten. Dit vereist echter vaak een andere benadering in vergelijking met traditionele technische systemen die vaak smeermiddelen op oliebasis en coatings voor harde oppervlakken gebruiken.

"Dit project heeft ons geholpen om deze vereisten beter te begrijpen en nieuwe tools te ontwikkelen om aan deze behoefte te voldoen."

De krant, Fabricage van op kraakbeen geïnspireerde hydrogel/verstrengelde polymeer-elastomeerstructuren met poro-elastische eigenschappen, wordt gepubliceerd in het tijdschrift Toegepaste polymeermaterialen .