Cornell-onderzoekers hebben een nieuwe ontdekking gedaan over hoe schijnbaar kleine aspecten van de interne structuur van bot kunnen worden versterkt om herhaalde slijtage te weerstaan, een bevinding die zou kunnen helpen bij de behandeling van patiënten die lijden aan osteoporose. Het zou ook kunnen leiden tot het creëren van duurzamere, lichtgewicht materialen voor de lucht- en ruimtevaartindustrie.

De krant van het team, "Bone-geïnspireerde microarchitecturen bereiken een verbeterd vermoeidheidsleven, " werd op 18 november gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences . Co-auteurs zijn onder meer Cornell-promovendi Cameron Aubin en Marysol Luna; postdoctoraal onderzoeker Floor Lambers; Pablo Zavattieri en Adwait Trikanad aan de Purdue University; en Clare Rimnac van de Case Western Reserve University.

Al decenia, wetenschappers die osteoporose bestuderen, hebben röntgenbeeldvorming gebruikt om de structuur van botten te analyseren en sterke en zwakke plekken te lokaliseren. Dichtheid is de belangrijkste factor die gewoonlijk verband houdt met botsterkte, en bij het beoordelen van die kracht, de meeste onderzoekers kijken hoeveel belasting een bot in één keer aankan.

Maar een team onder leiding van senior auteur Christopher J. Hernandez, universitair hoofddocent aan de Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering en aan de Meinig School of Biomedical Engineering, is geïnteresseerd in langdurig vermoeidheidsleven, of hoeveel laadcycli een bot kan verdragen voordat het breekt.

"De beste manier om de vermoeiingseigenschappen van materiaal te begrijpen, is door te denken aan een onderdeel in uw auto dat af en toe kapot gaat. dus je moet ermee naar de winkel. We zullen, waarom brak het? Het was duidelijk sterk genoeg, omdat het maanden werkte, jaar, prima. Maar na fietsen en fietsen en fietsen, tientallen miljoenen cycli, het breekt, "Zei Hernandez. "We weten al 150 jaar over deze eigenschap van materialen, en het is ingebed in het ontwerp van alles wat we doen. Maar niet al te veel mensen hadden dit soort botonderzoek gedaan."

De interne architectuur van bot bestaat uit verticale plaatachtige stutten die de sterkte bepalen bij overbelasting. Het bot heeft ook horizontale staafvormige stutten, die weinig invloed hebben op de sterkte en in wezen "window dressing" zijn. Hernandez en zijn team vermoedden dat andere aspecten van architectuur belangrijk waren. Met behulp van nieuwe computersoftware, hoofdauteur Ashley Torres, MA '15, doctoraat '18, MBA '19, was in staat om een ​​diepere analyse van een botmonster uit te voeren en ontdekte dat, als het gaat om het weerstaan ​​van langdurige slijtage, de horizontale staafachtige stutten zijn van cruciaal belang voor het verlengen van de levensduur van het bot.

"Als je het bot maar één keer laadt, het gaat erom hoe dicht het is, en dichtheid wordt meestal bepaald door de plaatachtige stutten, " zei Hernández, die ook adjunct-wetenschapper is in het Hospital for Special Surgery, een filiaal van Weill Cornell Medicine. "Maar als je bedenkt hoeveel cycli van lage belasting iets kan hebben, deze kleine zijwaarts twiggy stutten zijn wat er echt toe doet. Als mensen ouder worden, ze verliezen deze horizontale stutten eerst, waardoor de kans groter wordt dat het bot zal breken door meerdere cyclische belastingen."

Het team gebruikte een 3D-printer om botgeïnspireerd materiaal te maken dat is gemaakt van een urethaanmethacrylaatpolymeer. De onderzoekers varieerden de dikte van de staven en waren in staat om de vermoeiingslevensduur van het materiaal tot 100 keer te verlengen.

Hernandez verwacht dat de versterkte microstructuurroosters die zijn team heeft ontwikkeld, in vrijwel elk apparaat kunnen worden verwerkt, en zou bijzonder gunstig zijn voor de lucht- en ruimtevaartindustrie, waar ultralichte materialen een enorme en herhaalde belasting moeten weerstaan.

"Elke windvlaag die een vliegtuig raakt, veroorzaakt een cyclus van belasting, dus een vliegtuigvleugel wordt tijdens elke vlucht duizenden keren geladen, "Zei Hernandez. "Als je een duurzaam apparaat wilt maken of een voertuig dat lichtgewicht is en lang meegaat, dan maakt het echt uit hoeveel laadcycli het onderdeel kan duren voordat het breekt. En de wiskundige relatie die we in deze studie hebben afgeleid, stelt iemand die een van deze roosterstructuren ontwerpt in staat om de behoefte aan stijfheid en sterkte onder een enkele belasting in evenwicht te brengen met de behoefte om veel te verdragen, veel laadcycli op een lager niveau."