Les chercheurs de Cornell ont fait une nouvelle découverte sur la façon dont des aspects apparemment mineurs de la structure interne de l'os peuvent être renforcés pour résister à l'usure répétée, une découverte qui pourrait aider à traiter les patients souffrant d'ostéoporose. Cela pourrait également conduire à la création de produits plus durables, matériaux légers pour l'industrie aérospatiale.

Le papier de l'équipe, "Les microarchitectures inspirées des os atteignent une durée de vie améliorée en fatigue, " a été publié le 18 novembre dans le Actes de l'Académie nationale des sciences . Les co-auteurs incluent les étudiants au doctorat de Cornell Cameron Aubin et Marysol Luna; chercheur postdoctoral Floor Lambers; Pablo Zavattieri et Adwait Trikanad à l'Université Purdue; et Clare Rimnac à l'Université Case Western Reserve.

Depuis des décennies, les scientifiques qui étudient l'ostéoporose ont utilisé l'imagerie aux rayons X pour analyser la structure des os et identifier les points forts et les points faibles. La densité est le principal facteur qui est généralement lié à la solidité des os, et en évaluant cette force, la plupart des chercheurs examinent la charge qu'un os peut supporter en une seule fois.

Mais une équipe dirigée par l'auteur principal Christopher J. Hernandez, professeur agrégé à la Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering et à la Meinig School of Biomedical Engineering, s'intéresse à la durée de vie en fatigue à long terme, ou combien de cycles de chargement un os peut supporter avant qu'il ne se brise.

"La meilleure façon de comprendre les propriétés de fatigue d'un matériau est de penser à une pièce de votre voiture qui casse de temps en temps, il faut donc l'apporter au magasin. Bien, pourquoi ça s'est cassé ? C'était clairement assez fort, car cela a fonctionné pendant des mois, années, ça va. Mais après le cyclisme et le cyclisme et le cyclisme, des dizaines de millions de cycles, ça casse, " a déclaré Hernandez. " Nous connaissons cette propriété des matériaux depuis 150 ans, et c'est intégré dans la conception de tout ce que nous faisons. Mais peu de gens avaient fait ce genre d'étude de l'os."

L'architecture interne de l'os se compose d'entretoises verticales en forme de plaque qui déterminent sa résistance en cas de surcharge. L'os a également des entretoises horizontales en forme de tige, qui ont peu d'influence sur la force et sont essentiellement des « habillages de fenêtre ». Hernandez et son équipe soupçonnaient que d'autres aspects de l'architecture étaient importants. Utilisation d'un nouveau logiciel informatique, auteur principal Ashley Torres, MA '15, doctorat '18, MBA '19, a pu effectuer une analyse plus approfondie d'un échantillon d'os et a constaté que, lorsqu'il s'agit de résister à l'usure à long terme, les entretoises horizontales en forme de tige sont essentielles pour prolonger la durée de vie de l'os en fatigue.

"Si vous ne chargez l'os qu'une seule fois, tout dépend de sa densité, et la densité est principalement déterminée par les entretoises en forme de plaque, " dit Hernandez, qui est également scientifique adjoint à l'Hôpital de chirurgie spéciale, une filiale de Weill Cornell Medicine. "Mais si vous pensez au nombre de cycles de charge de faible amplitude que quelque chose peut prendre, ces petites entretoises twiggy latérales sont ce qui compte vraiment. Quand les gens vieillissent, ils perdent d'abord ces entretoises horizontales, augmentant la probabilité que l'os se brise à cause de plusieurs charges cycliques."

L'équipe a utilisé une imprimante 3D pour fabriquer un matériau inspiré des os à partir d'un polymère de méthacrylate d'uréthane. Les chercheurs ont fait varier l'épaisseur des tiges et ont pu augmenter jusqu'à 100 fois la durée de vie du matériau en fatigue.

Hernandez prévoit que les réseaux de microstructure renforcés que son équipe a développés pourraient être intégrés dans à peu près n'importe quel appareil, et serait particulièrement bénéfique pour l'industrie aérospatiale, où les matériaux ultra-légers doivent résister à des contraintes énormes et répétées.

"Chaque rafale de vent qu'un avion heurte provoque un cycle de chargement sur lui, donc une aile d'avion est chargée des milliers de fois à chaque vol, " Hernandez a déclaré. " Si vous voulez faire un appareil durable ou un véhicule qui est léger et durera longtemps, alors le nombre de cycles de chargement que la pièce peut prendre avant qu'elle se casse est vraiment important. Et la relation mathématique que nous avons dérivée dans cette étude permet à quelqu'un qui conçoit l'une de ces structures en treillis d'équilibrer les besoins de rigidité et de résistance sous une seule charge avec les besoins d'en tolérer plusieurs, de nombreux cycles de charge de niveau inférieur."