L'os n'est pas seulement un matériau fixe, c'est un ensemble dynamique de structures qui peuvent adapter leur masse et leur résistance en fonction des charges qu'ils doivent supporter.

Développer ce type de matériel adaptatif a longtemps été le rêve des scientifiques. Maintenant pour la première fois, Des scientifiques de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l'Université de Chicago ont mis au point un matériau en gel qui se renforce lorsqu'il est exposé aux vibrations.

Non seulement les scientifiques ont pu rendre le matériau 66 fois plus résistant grâce aux vibrations, ils ont également pu renforcer uniquement les zones exposées au mouvement. Ce type de spécificité pourrait conduire à de nouveaux adhésifs et à de meilleures façons d'intégrer les implants dans le corps.

Les résultats ont été publiés le 22 février dans la revue Matériaux naturels .

"Tout autre matériau devient plus faible lorsqu'il est vibré, " a déclaré le professeur associé Aaron Esser-Kahn, qui a dirigé la recherche. "C'est la première fois que nous renversons ce processus, montrant qu'un matériau peut se renforcer avec des vibrations mécaniques."

Former un deuxième réseau au sein du matériau

Quand Esser-Kahn et son groupe ont commencé à réfléchir à la manière de développer des matériaux adaptatifs, ils ont cherché à profiter de l'effet piézoélectrique, ce qui donne à certains matériaux la capacité de générer une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique. Une telle charge pourrait déclencher une réaction au sein d'un matériau et le renforcer, ils ont proposé.

Mais générer la bonne réponse aux contraintes mécaniques s'est avéré difficile. L'équipe a testé des dizaines de chimies différentes avant de trouver celle qui fonctionnait :un gel polymère mélangé à des réacteurs thiol-ène et des particules piézoélectriques d'oxyde de zinc.

Lorsque le matériau est vibré, les particules transduisent de l'énergie et créent une réaction thiol-ène, ce qui provoque la réticulation des composants du matériau. Cette réticulation forme essentiellement un deuxième réseau à l'intérieur du matériau, le renforcer.

Bien que le matériau ait commencé comme un doux, matériau collagène, à mesure que la vibration augmente, le matériau était de plus en plus renforcé. L'équipe a pu augmenter la résistance du matériau à 66 fois sa résistance d'origine, se terminant par un matériau proche de la rigidité des parties intérieures de l'os.

"Tout comme l'os, le matériau renforcé à la quantité exacte de puissance que nous y mettons, " a déclaré Esser-Kahn. Non seulement cela, le matériau ne s'est pas simplement renforcé tout au long du processus, il s'est renforcé de manière sélective dans des zones spécifiques où il a été davantage sollicité.

Création de nouveaux types d'adhésifs qui s'intègrent au corps

Ce type de renforcement sélectif pourrait conduire à des matériaux pouvant se raidir de manière sélective et à une nouvelle façon de concevoir des structures. Peut-être qu'il pourrait faire partie d'un bâtiment qui se renforce en vieillissant, ou être utilisé pour faire adhérer des matériaux ensemble dans un avion.

« Les adhésifs pourraient être grandement influencés par cela, " a déclaré Esser-Kahn. "Les adhésifs sont presque toujours le point de défaillance des matériaux. Cela pourrait conduire à des adhésifs spécialisés qui adhèrent et durcissent beaucoup mieux. »

Le groupe examine comment utiliser le matériau pour mieux intégrer les matériaux artificiels dans le corps humain - dans les implants de hanche, par exemple.

"Il n'y a pas deux humains identiques, et un matériau comme celui-ci est la façon dont nous commençons à fabriquer des matériaux qui se comportent de la même manière que ceux trouvés en biologie, " a déclaré Esser-Kahn.

Les autres auteurs de l'article incluent les chercheurs postdoctoraux Zhao Wang, Jun Wang, et Saikat Manne; étudiant diplômé Jorge Ayarza; l'ancien chercheur diplômé Tim Steeves; et Ziying Hu de l'Université Northwestern.