Les ingénieurs ont conçu un matériau avec la même quantité de structures en forme de tige et de plaque que les trabécules humaines et les ont disposés selon un motif périodique, présentant une nouvelle façon de renforcer les structures légères imprimées en 3D. Crédit :Purdue University photo/Pablo Zavattieri
Qu'ont en commun les os et les bâtiments imprimés en 3D ? Ils ont tous deux des colonnes et des poutres à l'intérieur qui déterminent leur durée de vie.
Maintenant, la découverte de la façon dont un "poutre" en matériau osseux humain supporte l'usure d'une vie pourrait se traduire par le développement de matériaux légers imprimés en 3D qui durent suffisamment longtemps pour une utilisation plus pratique dans les bâtiments, avions et autres structures.
Une équipe de chercheurs de l'Université Cornell, L'université Purdue et l'université Case Western Reserve ont découvert qu'en imitant ce faisceau et en l'épaississant d'environ 30 %, un matériau artificiel pourrait durer jusqu'à 100 fois plus longtemps.
"L'os est un bâtiment. Il a ces colonnes qui supportent la plupart de la charge et des poutres reliant les colonnes. Nous pouvons apprendre de ces matériaux pour créer des matériaux imprimés en 3D plus robustes pour les bâtiments et autres structures, " a déclaré Pablo Zavattieri, professeur à la Lyles School of Civil Engineering de Purdue.
Les os tirent leur durabilité d'une structure spongieuse appelée trabécules, qui est un réseau d'entretoises verticales en forme de plaque interconnectées et d'entretoises horizontales en forme de tige agissant comme des colonnes et des poutres. Plus les trabécules sont denses, plus l'os est résistant pour les activités quotidiennes. Mais la maladie et l'âge affectent cette densité.
Dans une étude publiée dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , les chercheurs ont découvert que même si les entretoises verticales contribuent à la rigidité et à la résistance d'un os, ce sont en fait les entretoises horizontales apparemment insignifiantes qui augmentent la durée de vie de l'os en fatigue.
Le groupe de Christopher Hernandez à Cornell avait soupçonné que les structures horizontales des entretoises étaient importantes pour la durabilité des os, contrairement aux idées reçues sur le terrain concernant les trabécules.
"Quand les gens vieillissent, ils perdent d'abord ces entretoises horizontales, augmentant la probabilité que l'os se brise sous de multiples charges cycliques, " dit Hernandez, professeur de mécanique, génie aérospatial et biomédical.
Une étude plus approfondie de ces structures pourrait éclairer de meilleures façons de traiter les patients souffrant d'ostéoporose.
Pendant ce temps, Les maisons et les bureaux imprimés en 3D font leur chemin dans l'industrie de la construction. Bien que beaucoup plus rapides et moins chers à produire que leurs homologues traditionnels, même les couches de ciment imprimées devraient être suffisamment résistantes pour faire face aux catastrophes naturelles, du moins aussi bien que les maisons d'aujourd'hui.
Ce problème pourrait être résolu en repensant soigneusement la structure interne, ou "architecture, " du ciment lui-même. Le laboratoire de Zavattieri a développé des matériaux architecturés inspirés par la nature, en améliorant leurs propriétés et en les rendant plus fonctionnels.
Dans le cadre d'un effort continu pour incorporer les meilleures tactiques de résistance de la nature dans ces matériaux, Le laboratoire de Zavattieri a contribué aux simulations d'analyse mécanique déterminant si les entretoises horizontales pourraient jouer un rôle plus important dans l'os humain qu'on ne le pensait auparavant. Ils ont ensuite conçu des polymères imprimés en 3D avec des architectures similaires aux trabécules.
Cette image d'un fémur humain montre des lignes blanches interconnectées, les entretoises qui composent l'os spongieux des trabécules. Des entretoises horizontales plus épaisses pourraient augmenter la durée de vie en fatigue de l'os, une étude a trouvé. Crédit :Cornell University photo/Christopher Hernandez
Les simulations ont révélé que les entretoises horizontales étaient essentielles pour prolonger la durée de vie en fatigue de l'os.
"Lorsque nous avons effectué des simulations de la microstructure osseuse sous charge cyclique, nous avons pu voir que les efforts se concentraient dans ces entretoises horizontales, et en augmentant l'épaisseur de ces entretoises horizontales, nous avons pu atténuer certaines des contraintes observées, " dit Adwait Trikanad, un co-auteur sur ce travail et un doctorat en génie civil. étudiant à Purdue.
L'application de charges sur les polymères imprimés en 3D inspirés des os a confirmé cette découverte. Plus les entretoises horizontales sont épaisses, plus le polymère durerait pendant qu'il prenait en charge.
Parce que l'épaississement des entretoises n'a pas augmenté de manière significative la masse du polymère, les chercheurs pensent que cette conception serait utile pour créer des matériaux légers plus résistants.
"Quand quelque chose est léger, nous pouvons en utiliser moins, " a déclaré Zavattieri. " Créer un matériau plus solide sans le rendre plus lourd signifierait que des structures imprimées en 3D pourraient être construites sur place puis transportées. Ces informations sur les os humains pourraient être un catalyseur pour introduire davantage de matériaux architecturaux dans l'industrie de la construction. »
