Los investigadores de Cornell han hecho un nuevo descubrimiento sobre cómo los aspectos aparentemente menores de la estructura interna del hueso pueden fortalecerse para resistir el desgaste repetido, un hallazgo que podría ayudar a tratar a los pacientes que sufren de osteoporosis. También podría conducir a la creación de másmateriales duraderos y livianos para la industria aeroespacial.
El artículo del equipo, "Microarquitecturas inspiradas en los huesos logran una vida de fatiga mejorada", se publicó el 18 de noviembre en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias . Los coautores incluyen a los estudiantes de doctorado de Cornell Cameron Aubin y Marysol Luna; el investigador postdoctoral Floor Lambers; Pablo Zavattieri y Adwait Trikanad en la Universidad de Purdue; y Clare Rimnac en la Universidad Case Western Reserve.
Durante décadas, los científicos que estudian la osteoporosis han utilizado imágenes de rayos X para analizar la estructura de los huesos y detectar puntos fuertes y débiles. La densidad es el factor principal que generalmente está relacionado con la resistencia ósea, y al evaluar esa fortaleza, la mayoría de los investigadores observancuánta carga puede soportar un hueso de una vez.
Pero un equipo dirigido por el autor principal Christopher J. Hernández, profesor asociado en la Escuela Sibley de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial y en la Escuela Meinig de Ingeniería Biomédica, está interesado en la vida de fatiga a largo plazo, o cuántos ciclos de cargael hueso puede soportar antes de que se rompa
"La mejor manera de comprender las propiedades de fatiga del material es pensar en una parte de su automóvil que se rompe de vez en cuando, por lo que debe llevarla al taller. Bueno, ¿por qué se rompió? Era claramente lo suficientemente fuerte, porque funcionó durante meses, años, muy bien. Pero después del ciclismo y el ciclismo y el ciclismo, decenas de millones de ciclos, se rompe ", dijo Hernández." Hace 150 años que conocemos esta propiedad de los materiales, y está integradaen el diseño de todo lo que hacemos. Pero no mucha gente había hecho este tipo de estudio del hueso ".
La arquitectura interna del hueso consiste en puntales verticales en forma de placa que determinan su resistencia cuando se sobrecarga. El hueso también tiene puntales horizontales en forma de varilla, que tienen poca influencia en la resistencia y son esencialmente "escaparatismo". Hernández y su equipo sospecharonque otros aspectos de la arquitectura eran importantes. Usando un nuevo software de computadora, la autora principal Ashley Torres, MA '15, Ph.D. '18, MBA '19, pudo realizar un análisis más profundo de una muestra de hueso y descubrió que, cuandoResistiendo el desgaste a largo plazo, los puntales horizontales en forma de varilla son críticos para extender la vida de fatiga del hueso.
"Si carga el hueso solo una vez, se trata de qué tan denso es, y la densidad está determinada principalmente por los puntales en forma de placa", dijo Hernández, quien también es un científico adjunto en el Hospital de Cirugía Especial, un afiliadode Weill Cornell Medicine. "Pero si piensas en cuántos ciclos de carga de baja magnitud puede tomar algo, estos pequeños puntales laterales son lo que realmente importa. Cuando las personas envejecen, primero pierden estos puntales horizontales, lo que aumenta la probabilidad de que el huesose romperá de múltiples cargas cíclicas "
El equipo utilizó una impresora 3D para fabricar material inspirado en los huesos hecho de un polímero de metacrilato de uretano. Los investigadores variaron el grosor de las varillas y pudieron aumentar la vida útil del material hasta 100 veces.
Hernández anticipa que las redes de microestructura reforzadas que su equipo desarrolló podrían incorporarse en casi cualquier dispositivo, y serían particularmente beneficiosas para la industria aeroespacial, donde los materiales ultraligeros deben soportar una tensión tremenda y repetida.
"Cada ráfaga de viento que golpea un avión provoca un ciclo de carga sobre él, por lo que el ala de un avión se carga miles de veces durante cada vuelo", dijo Hernández. "Si desea hacer un dispositivo duradero o un vehículo que sea livianoy durará mucho tiempo, entonces realmente importa cuántos ciclos de carga puede tomar la pieza antes de que se rompa. Y la relación matemática que hemos derivado en este estudio permite a alguien que está diseñando una de estas estructuras de celosía equilibrar las necesidades de rigidez yresistencia bajo una sola carga con la necesidad de tolerar muchos, muchos ciclos de carga de nivel inferior ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Cornell . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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