Os pesquisadores da Cornell fizeram uma nova descoberta sobre como aspectos aparentemente menores da estrutura interna do osso podem ser fortalecidos para resistir ao desgaste repetido, uma descoberta que pode ajudar a tratar pacientes que sofrem de osteoporose. Também pode levar à criação de mais duráveis, materiais leves para a indústria aeroespacial.

O papel da equipe, "Microarquiteturas inspiradas nos ossos alcançam vida útil aprimorada à fadiga, "foi publicado em 18 de novembro no Proceedings of the National Academy of Sciences . Os co-autores incluem alunos de doutorado de Cornell, Cameron Aubin e Marysol Luna; pesquisador de pós-doutorado Floor Lambers; Pablo Zavattieri e Adwait Trikanad na Purdue University; e Clare Rimnac na Case Western Reserve University.

Por décadas, cientistas que estudam a osteoporose usaram imagens de raios-X para analisar a estrutura dos ossos e localizar pontos fortes e fracos. A densidade é o principal fator que geralmente está relacionado à resistência óssea, e ao avaliar essa força, a maioria dos pesquisadores analisa quanta carga um osso pode suportar de uma vez.

Mas uma equipe liderada pelo autor sênior Christopher J. Hernandez, professor associado na Escola Sibley de Engenharia Mecânica e Aeroespacial e na Escola Meinig de Engenharia Biomédica, está interessado na fadiga a longo prazo, ou quantos ciclos de carregamento um osso pode suportar antes de quebrar.

"A melhor maneira de entender as propriedades de fadiga do material é pensar em uma peça do seu carro que quebra de vez em quando, então você tem que levar para a loja. Nós vamos, por que quebrou? Era claramente forte o suficiente, porque funcionou por meses, anos, bem. Mas depois de pedalar, pedalar e pedalar, dezenas de milhões de ciclos, quebra, "Hernandez disse." Conhecemos essa propriedade dos materiais há 150 anos, e está embutido no design de tudo o que fazemos. Mas não muitas pessoas haviam feito esse tipo de estudo do osso. "

A arquitetura interna do osso consiste em escoras verticais em forma de placa que determinam sua resistência quando sobrecarregadas. O osso também tem escoras horizontais semelhantes a hastes, que têm pouca influência na força e são essencialmente "enfeites de janela". Hernandez e sua equipe suspeitaram que outros aspectos da arquitetura eram importantes. Usando um novo software de computador, autor principal Ashley Torres, M.A. '15, Ph.D. '18, MBA '19, foi capaz de realizar uma análise mais profunda de uma amostra de osso e descobriu que, quando se trata de resistir ao desgaste a longo prazo, as escoras horizontais em forma de haste são críticas para estender a vida útil do osso à fadiga.

"Se você carregar o osso apenas uma vez, é tudo sobre como é denso, e a densidade é determinada principalmente pelos suportes tipo placa, "disse Hernandez, que também é cientista adjunto do Hospital for Special Surgery, uma afiliada da Weill Cornell Medicine. "Mas se você pensar em quantos ciclos de carga de baixa magnitude algo pode suportar, esses pequenos suportes de galhos laterais são o que realmente importa. Quando as pessoas envelhecem, eles perdem essas escoras horizontais primeiro, aumentando a probabilidade de que o osso se quebre devido a múltiplas cargas cíclicas. "

A equipe usou uma impressora 3-D para fabricar material inspirado em osso feito de um polímero de metacrilato de uretano. Os pesquisadores variaram a espessura das hastes e conseguiram aumentar a vida útil do material em até 100 vezes.

Hernandez antecipa que as redes de microestrutura reforçada que sua equipe desenvolveu podem ser incorporadas a praticamente qualquer dispositivo, e seria particularmente benéfico para a indústria aeroespacial, onde materiais ultraleves precisam resistir a esforços tremendos e repetidos.

"Cada rajada de vento que um avião atinge causa um ciclo de carregamento nele, então uma asa de avião é carregada milhares de vezes durante cada vôo, "Hernandez disse." Se você quiser fazer um dispositivo durável ou um veículo que seja leve e durará muito tempo, então realmente importa quantos ciclos de carregamento a peça pode levar antes de quebrar. E a relação matemática que derivamos neste estudo permite que alguém que está projetando uma dessas estruturas de treliça equilibre as necessidades de rigidez e resistência sob uma única carga com as necessidades de tolerar muitos, muitos ciclos de carregamento de nível inferior. "