Os engenheiros projetaram um material com a mesma quantidade de estruturas semelhantes a barras e placas que as trabéculas humanas e as organizaram em um padrão periódico, apresentando uma nova maneira de fortalecer estruturas leves impressas em 3D. Crédito:Foto da Universidade Purdue / Pablo Zavattieri
O que ossos e edifícios impressos em 3D têm em comum? Ambos têm colunas e vigas no interior que determinam quanto tempo eles duram.
Agora, a descoberta de como uma "viga" em material ósseo humano lida com o desgaste de uma vida inteira pode se traduzir no desenvolvimento de materiais leves impressos em 3D que duram o suficiente para uso mais prático em edifícios, aeronaves e outras estruturas.
Uma equipe de pesquisadores da Cornell University, A Purdue University e a Case Western Reserve University descobriram que, quando imitaram esse feixe e o tornaram cerca de 30% mais espesso, um material artificial pode durar até 100 vezes mais.
"O Bone é um edifício. Ele tem essas colunas que suportam a maior parte da carga e vigas que as conectam. Podemos aprender com esses materiais a criar materiais impressos em 3D mais robustos para edifícios e outras estruturas, "disse Pablo Zavattieri, professor na Escola de Engenharia Civil de Purdue's Lyles.
Os ossos obtêm sua durabilidade de uma estrutura esponjosa chamada trabéculas, que é uma rede de escoras em forma de placa verticais interconectadas e escoras em forma de haste horizontais atuando como colunas e vigas. Quanto mais densas as trabéculas, mais resistente é o osso para as atividades cotidianas. Mas a doença e a idade afetam essa densidade.
Em um estudo publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences , os pesquisadores descobriram que, embora as escoras verticais contribuam para a rigidez e resistência do osso, na verdade, são as escoras horizontais aparentemente insignificantes que aumentam a durabilidade do osso.
O grupo de Christopher Hernandez em Cornell suspeitava que as estruturas das escoras horizontais eram importantes para a durabilidade óssea, ao contrário das crenças comumente defendidas na área sobre trabéculas.
"Quando as pessoas envelhecem, eles perdem essas escoras horizontais primeiro, aumentando a probabilidade de que o osso se quebre devido a múltiplas cargas cíclicas, "disse Hernandez, um professor de mecânica, engenharia aeroespacial e biomédica.
O estudo mais aprofundado dessas estruturas poderia informar melhores maneiras de tratar pacientes que sofrem de osteoporose.
Enquanto isso, Casas e escritórios impressos em 3D estão entrando no setor de construção. Embora seja muito mais rápido e barato de produzir do que suas contrapartes tradicionais, até mesmo as camadas impressas de cimento precisariam ser fortes o suficiente para lidar com desastres naturais - pelo menos tão bem quanto as casas de hoje.
Esse problema poderia ser resolvido redesenhando cuidadosamente a estrutura interna, ou "arquitetura, "do próprio cimento. O laboratório de Zavattieri tem desenvolvido materiais arquitetados inspirados na natureza, melhorando suas propriedades e tornando-os mais funcionais.
Como parte de um esforço contínuo para incorporar as melhores táticas de força da natureza a esses materiais, O laboratório de Zavattieri contribuiu com simulações de análises mecânicas para determinar se as escoras horizontais podem desempenhar um papel maior no osso humano do que se pensava anteriormente. Eles então projetaram polímeros impressos em 3D com arquiteturas semelhantes às trabéculas.
Esta imagem de um fêmur humano mostra linhas brancas interconectadas, os suportes que constituem o osso trabécula esponjoso. Suportes horizontais mais espessos podem aumentar a vida de fadiga do osso, um estudo descobriu. Crédito:Foto da Universidade Cornell / Christopher Hernandez
As simulações revelaram que as escoras horizontais eram críticas para estender a vida de fadiga do osso.
"Quando executamos simulações da microestrutura óssea sob carga cíclica, pudemos ver que as deformações se concentrariam nessas escoras horizontais, e aumentando a espessura dessas escoras horizontais, fomos capazes de mitigar algumas das cepas observadas, "disse Adwait Trikanad, co-autor deste trabalho e doutor em engenharia civil. estudante em Purdue.
A aplicação de cargas aos polímeros impressos em 3D inspirados em ossos confirmou esse achado. Quanto mais grossas as escoras horizontais, quanto mais tempo o polímero duraria conforme demorasse na carga.
Como o espessamento das escoras não aumentou significativamente a massa do polímero, os pesquisadores acreditam que este projeto seria útil para a criação de materiais leves mais resilientes.
"Quando algo é leve, podemos usar menos dele, "Zavattieri disse." Criar um material mais forte sem torná-lo mais pesado significaria que estruturas impressas em 3D poderiam ser construídas no local e então transportadas. Essas percepções sobre o osso humano podem ser um facilitador para trazer mais materiais arquitetados para a indústria da construção. "
