Wat hebben botten en 3D-geprinte gebouwen gemeen? Ze hebben allebei kolommen en balken aan de binnenkant die bepalen hoe lang ze meegaan.

Nutsvoorzieningen, de ontdekking van hoe een "balk" in menselijk botmateriaal een levenslange slijtage kan verwerken, zou zich kunnen vertalen in de ontwikkeling van 3D-geprinte lichtgewicht materialen die lang genoeg meegaan voor praktischer gebruik in gebouwen, vliegtuigen en andere constructies.

Een team van onderzoekers van de Cornell University, Purdue University en Case Western Reserve University ontdekten dat wanneer ze deze straal nabootsten en deze ongeveer 30% dikker maakten, een kunstmatig materiaal kan tot 100 keer langer meegaan.

"Bone is een gebouw. ​​Het heeft deze kolommen die de meeste last dragen en balken die de kolommen verbinden. We kunnen van deze materialen leren om robuustere 3D-geprinte materialen voor gebouwen en andere constructies te maken, " zei Pablo Zavattieri, een professor in Purdue's Lyles School of Civil Engineering.

Botten krijgen hun duurzaamheid van een sponsachtige structuur genaamd trabeculae, dat is een netwerk van onderling verbonden verticale plaatachtige stutten en horizontale staafachtige stutten die werken als kolommen en balken. Hoe dichter de trabeculae, hoe veerkrachtiger het bot voor dagelijkse activiteiten. Maar ziekte en leeftijd beïnvloeden deze dichtheid.

In een studie gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , de onderzoekers ontdekten dat, hoewel de verticale stutten bijdragen aan de stijfheid en sterkte van een bot, het zijn eigenlijk de schijnbaar onbeduidende horizontale stutten die de levensduur van botten verlengen.

De groep van Christopher Hernandez in Cornell had vermoed dat horizontale steunstructuren belangrijk waren voor de duurzaamheid van botten, in tegenstelling tot wat algemeen wordt aangenomen in het veld over trabeculae.

"Als mensen ouder worden, ze verliezen deze horizontale stutten eerst, de kans vergroten dat het bot zal breken door meerdere cyclische belastingen, " zei Hernández, een professor in de mechanische, ruimtevaart en biomedische technologie.

Het verder bestuderen van deze structuren zou kunnen leiden tot betere manieren om patiënten met osteoporose te behandelen.

In de tussentijd, 3D-geprinte huizen en kantoorruimtes vinden hun weg naar de bouwsector. Hoewel veel sneller en goedkoper te produceren dan hun traditionele tegenhangers, zelfs bedrukte lagen cement zouden sterk genoeg moeten zijn om natuurrampen aan te kunnen - in ieder geval net zo goed als de huizen van vandaag.

Dat probleem zou kunnen worden opgelost door de interne structuur zorgvuldig te herontwerpen, of "architectuur, " van het cement zelf. Zavattieri's lab heeft architectonische materialen ontwikkeld die zijn geïnspireerd door de natuur, hun eigenschappen te verbeteren en functioneler te maken.

Als onderdeel van een voortdurende inspanning om de beste krachttactieken van de natuur in deze materialen op te nemen, Het laboratorium van Zavattieri droeg bij aan mechanische analysesimulaties om te bepalen of horizontale stutten een grotere rol zouden kunnen spelen in menselijk bot dan eerder werd gedacht. Vervolgens ontwierpen ze 3D-geprinte polymeren met architecturen die lijken op trabeculae.

Uit de simulaties bleek dat de horizontale stutten van cruciaal belang waren voor het verlengen van de vermoeidheidslevensduur van bot.

"Toen we simulaties uitvoerden van de botmicrostructuur onder cyclische belasting, we konden zien dat de spanningen zich zouden concentreren in deze horizontale stutten, en door de dikte van deze horizontale stutten te vergroten, we waren in staat om enkele van de waargenomen stammen te verminderen, " zei Adwait Trikanad, een co-auteur van dit werk en civiele techniek Ph.D. student aan Purdue.

Het toepassen van belastingen op de bot-geïnspireerde 3D-geprinte polymeren bevestigde deze bevinding. Hoe dikker de horizontale steunen, hoe langer het polymeer meegaat naarmate het wordt belast.

Omdat het verdikken van de stutten de massa van het polymeer niet significant verhoogde, de onderzoekers denken dat dit ontwerp nuttig zou zijn voor het maken van veerkrachtigere lichtgewicht materialen.

"Als iets licht is, we kunnen er minder van gebruiken, "Zei Zavattieri. "Om een ​​sterker materiaal te maken zonder het zwaarder te maken, zou betekenen dat 3D-geprinte structuren op hun plaats kunnen worden gebouwd en vervolgens kunnen worden vervoerd. Deze inzichten over menselijk bot kunnen een hulpmiddel zijn om meer architectonische materialen in de bouwsector te brengen."