¿Qué tienen en común los huesos y los edificios impresos en 3D? Ambos tienen columnas y vigas en el interior que determinan cuánto duran.
Ahora, el descubrimiento de cómo una "viga" en material óseo humano maneja el desgaste de toda la vida podría traducirse en el desarrollo de materiales ligeros impresos en 3D que duran lo suficiente para un uso más práctico en edificios, aviones y otras estructuras.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Cornell, la Universidad de Purdue y la Universidad Case Western Reserve descubrió que cuando imitaban este haz y lo hacían un 30% más grueso, un material artificial podía durar hasta 100 veces más.
"Bone es un edificio. Tiene estas columnas que transportan la mayor parte de la carga y las vigas que conectan las columnas. Podemos aprender de estos materiales para crear materiales impresos en 3D más robustos para edificios y otras estructuras", dijo Pablo Zavattieri, unProfesor en la Escuela de Ingeniería Civil de Purdue Lyles.
Los huesos obtienen su durabilidad de una estructura esponjosa llamada trabéculas, que es una red de puntales verticales interconectados en forma de placa y puntales horizontales en forma de varilla que actúan como columnas y vigas. Cuanto más densas son las trabéculas, más resistente es el hueso para las actividades cotidianas.Pero la enfermedad y la edad afectan esta densidad.
En un estudio publicado en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias , los investigadores descubrieron que aunque los puntales verticales contribuyen a la rigidez y resistencia de un hueso, en realidad son los puntales horizontales aparentemente insignificantes los que aumentan la vida de fatiga del hueso.
El grupo de Christopher Hernández en Cornell sospechaba que las estructuras de puntal horizontal eran importantes para la durabilidad del hueso, contrario a las creencias comúnmente sostenidas en el campo sobre las trabéculas.
"Cuando las personas envejecen, primero pierden estos puntales horizontales, lo que aumenta la probabilidad de que el hueso se rompa por múltiples cargas cíclicas", dijo Hernández, profesor de ingeniería mecánica, aeroespacial y biomédica.
Estudiar estas estructuras aún más podría informar mejores formas de tratar a los pacientes que sufren de osteoporosis.
Mientras tanto, las casas y los espacios de oficinas impresos en 3D se están abriendo camino en la industria de la construcción. Si bien son mucho más rápidos y baratos de producir que sus contrapartes tradicionales, incluso las capas impresas de cemento tendrían que ser lo suficientemente fuertes como para manejar los desastres naturales, enmenos tan bien como las casas de hoy.
Ese problema podría resolverse rediseñando cuidadosamente la estructura interna o "arquitectura" del cemento en sí. El laboratorio de Zavattieri ha estado desarrollando materiales arquitectónicos inspirados en la naturaleza, mejorando sus propiedades y haciéndolos más funcionales.
Como parte de un esfuerzo continuo para incorporar las mejores tácticas de fuerza de la naturaleza en estos materiales, el laboratorio de Zavattieri contribuyó a las simulaciones de análisis mecánico para determinar si los puntales horizontales podrían desempeñar un papel más importante en el hueso humano de lo que se pensaba anteriormente. Luego diseñaron polímeros impresos en 3D con arquitecturassimilar a las trabéculas.
Las simulaciones revelaron que los puntales horizontales eran críticos para extender la vida de fatiga del hueso. Un video de YouTube está disponible en http://youtu.be/XK7NZMZ4YDs .
"Cuando realizamos simulaciones de la microestructura ósea bajo carga cíclica, pudimos ver que las cepas se concentrarían en estos puntales horizontales, y al aumentar el grosor de estos puntales horizontales, pudimos mitigar algunos de los observados", dijo Adwait Trikanad, coautor de este trabajo y estudiante de doctorado en ingeniería civil en Purdue.
La aplicación de cargas a los polímeros impresos en 3D inspirados en los huesos confirmó este hallazgo. Cuanto más gruesos los puntales horizontales, más duraría el polímero a medida que se cargara.
Debido a que el espesamiento de los puntales no aumentó significativamente la masa del polímero, los investigadores creen que este diseño sería útil para crear materiales livianos más resistentes.
"Cuando algo es liviano, podemos usar menos", dijo Zavattieri. "Crear un material más fuerte sin hacerlo más pesado significaría que se podrían construir estructuras impresas en 3D y luego transportarlas. Estas ideas sobre el hueso humano podríanser un facilitador para traer más materiales arquitectónicos a la industria de la construcción "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Purdue . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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