Otimização de interfaces de materiais duros e moles:uma imitação impressa em 3D de conexões osso-tendão
Os designs de interface macio-duro testados sob condições de tração. a As amostras de teste de tração padrão fornecidas com um gradiente funcional conectando as fases dura e macia do polímero através de funções lineares da fração volumétrica da fase dura (p ) (espessura fora do plano = 4 mm). b Todos os designs iniciais com diferentes larguras de gradiente funcional (WG ) e sua porcentagem calculada da área de contato normal macio-duro (Ac ). Combinamos três valores diferentes do comprimento do gradiente (WG ) com cinco geometrias de células unitárias diferentes (isto é, Octo, Diamantes, Giroides, hélices semelhantes a colágeno e partículas distribuídas aleatoriamente). Crédito:Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43422-9 A maioria das pessoas pode se identificar com o fato de um carregador de laptop quebrar exatamente onde o cabo flexível encontra o adaptador sólido. Este é apenas um exemplo de como é difícil fazer a interface eficaz entre materiais duros e macios. Usando um processo de impressão 3D exclusivo, os pesquisadores da TU Delft produziram interfaces híbridas multimateriais que alcançaram uma notável proximidade com o design natural das conexões osso-tendão. Os resultados de sua pesquisa, publicados recentemente na Nature Communications , têm inúmeras aplicações potenciais.
Apesar da grande diferença de dureza entre ossos e tendões, suas interseções no corpo humano nunca falham. Foi esta ligação osso-tendão que inspirou uma equipa de investigadores da Faculdade de Engenharia Mecânica, Marítima e de Materiais (3mE) a explorar formas de optimizar as interfaces duras e macias de materiais feitos pelo homem.
Inspiração de design
Sempre que há uma incompatibilidade entre dois materiais conectados, isso resulta em uma concentração de tensão, explica Amir Zadpoor, Professor de Biomateriais e Biomecânica de Tecidos. Isso significa que a tensão mecânica vai para o ponto de conexão e geralmente resulta na falha do material mais macio. Uma das coisas vistas na natureza é uma mudança gradual nas propriedades de uma interface.
“Um material duro não se transforma repentinamente em um material macio”, diz Zadpoor. "Isso muda gradualmente e isso suaviza a concentração do estresse." Pensando nisso, os pesquisadores utilizaram diferentes geometrias e uma técnica de impressão 3D multimaterial para aumentar a área de contato entre interfaces duras e macias, emulando assim o design da natureza.
Outra consideração de projeto é que a força que um material macio pode tolerar antes da falha seja menor do que a de um material duro. “Só é relevante tornar a interface tão forte quanto o material macio, porque se for mais forte, o material macio irá falhar de qualquer maneira e esse é o seu limite teórico”, diz o Dr. Mauricio Cruz Saldivar, primeiro autor do manuscrito.
Os pesquisadores conseguiram aumentar os valores de resistência das interfaces em 50% em comparação com um grupo de controle. Aproximar-se do limite do que é teoricamente possível é uma das principais contribuições desta pesquisa, segundo a equipe. Mas o estudo também resultou num conjunto de diretrizes de projeto para melhorar o desempenho mecânico de interfaces soft-hard bioinspiradas, princípios que são universalmente aplicáveis. Crédito:Universidade de Tecnologia de Delft Um produto completo de uma só vez
A técnica desenvolvida pela equipe também permite a confecção de um produto completo de uma só vez. Isto é importante porque produtos com múltiplos materiais são geralmente fixados por adesivos. As peças podem ser montadas ou conectadas mecanicamente, como em aplicações automotivas ou aeroespaciais.
“Mas o que estamos tentando fazer é remover as etapas extras envolvidas e ter tudo de uma só vez”, diz a professora assistente Zjenja Doubrovski. "Isso nos permite combinar materiais ainda mais exóticos, por exemplo, materiais que têm mais resistência ao amortecimento versus materiais que são mais fortes." E esta combinação permite uma maior gama de aplicabilidade.
Aplicações futuras
Muitas coisas podem ser feitas com esta tecnologia. As aplicações potenciais incluem dispositivos médicos, robótica suave e dispositivos flexíveis. Mas a equipe também pretende explorar a criação de interfaces com células vivas para permitir procedimentos como a conexão de implantes aos tecidos moles circundantes.
“Eventualmente, gostaríamos de regenerar o osso e a ligação entre o osso e o músculo”, diz o professor assistente Mohammad J. Mirzaali. "Isso significaria integrar células vivas nesta interface, o que acrescentaria múltiplas camadas de complexidade à construção." Em última análise, os resultados deste trabalho deixam a porta aberta para uma série de estudos futuros.
Mais informações: M. C. Saldívar et al, Projeto racional bioinspirado de interfaces soft-hard impressas em 3D bimateriais, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43422-9 Informações do diário: Comunicações da Natureza
Fornecido pela Universidade de Tecnologia de Delft
