人体骨骼结构是增强3D打印轻质材料的关键[视频]

工程师设计出的材料具有与小梁相同数量的杆状和板状结构，并以周期性的方式排列它们，从而提出了一种增强轻型3D打印结构的新方法。

骨骼和3D打印的建筑物有什么共同点？它们的内部都有圆柱和横梁，这些横梁和横梁确定了它们能持续多长时间。

现在，发现人类骨骼材料中的“光束”如何处理一生的磨损价值，可以转化为3D打印的轻质材料的开发，这种材料使用寿命足够长，可以在建筑物，飞机和其他结构中更实际地使用。

康奈尔大学，普渡大学和凯斯西储大学的一组研究人员发现，当模仿这种光束并将其厚度增加约30％时，人造材料的使用寿命可能会延长100倍。

发现人类骨骼材料中的“光束”如何处理一生的磨损价值，可能会转化为3D打印的轻质材料的开发，这种材料使用寿命足够长，可以在建筑物，飞机和其他结构中更实际地使用。

“骨头是一栋建筑物。它具有承受大部分载荷的梁和连接这些梁的梁。我们可以从这些材料中学习，为建筑物和其他结构创建更坚固的3D打印材料，”普渡大学Lyles土木工程学院教授Pablo Zavattieri说。

骨骼通过称为小梁的海绵状结构获得耐用性，该海绵状结构是由相互连接的垂直板状支杆和水平杆状支杆作为柱和梁组成的网络。小梁越密集，骨骼在日常活动中就越有弹性。但是疾病和年龄会影响这种密度。

这张人类股骨的图像显示出相互连接的白线，这些线构成了海绵状小梁的骨骼。一项研究发现，较厚的水平支撑杆可以延长骨骼的疲劳寿命。

在《美国国家科学院院刊》上发表的一项研究中，研究人员发现，尽管垂直支撑杆有助于骨骼的刚度和强度，但实际上看似微不足道的水平支撑杆却可以增加骨骼的疲劳寿命。

康奈尔大学的克里斯托弗·埃尔南德斯（Christopher Hernandez）的研究小组怀疑水平支撑结构对于骨骼的耐用性
很重要，这与人们对小梁领域的普遍看法相反。机械载荷，航空航天和生物医学工程学教授埃尔南德斯（Hernandez）说。

进一步研究这些结构可以为治疗骨质疏松症的患者提供更好的方法。

同时，以3D打印的房屋和办公空间正在进入建筑行业。尽管与传统产品相比，其生产速度和成本要低得多，但即使是印刷的水泥层也必须足够坚固，以应对自然灾害（至少与今天的房屋一样）。

可以通过重新设计水泥本身的内部结构或“架构”来解决该问题。Zavattieri的实验室一直在开发受自然启发的建筑材料，以增强其性能并使之更具功能性。

为了将自然界的最佳力量策略整合到这些材料中，Zavaattieri的实验室正在进行机械分析模拟，以确定水平支撑杆在人体骨骼中的作用是否比以前想象的要大。然后，他们设计了具有与小梁相似结构的3D打印聚合物。

研究人员用3D打印的人体骨骼中的小梁聚合物模型并对其施加了载荷，研究了某些结构是否在骨骼耐久性中起着比以前认为的更重要的作用。

模拟显示，水平支柱对于延长骨骼的疲劳寿命至关重要。（请参见本文顶部的视频。）

“当我们在循环载荷下对骨骼的微观结构进行仿真时，我们能够看到应变会集中在这些水平支杆上，并且通过增加这些水平支杆的厚度，我们能够减轻一些观察到的应变， ”这项工作和土木工程博士学位的合著者Adwait Trikanad说。普渡大学的学生。

向受骨头启发的3D打印聚合物施加载荷证实了这一发现。水平支撑杆越厚，聚合物承受载荷的时间就越长。

由于增厚支撑杆不会显着增加聚合物的质量，因此研究人员认为，这种设计对于制造更具弹性的轻质材料很有用。

Zavattieri说：“当某种东西很轻时，我们可以减少使用。”“要制造更坚固的材料而又不使其更重，则意味着可以将3D打印的结构建造到位，然后运输。这些对人体骨骼的见识可能有助于将更多的建筑材料带入建筑行业。”

其他研究作者包括康奈尔大学的Ashley Torres，Cameron Aubin和Marysol Luna，以及Case Western Reserve大学的Clare Rimnac。

作为西班牙裔专业工程师协会的一部分，Hernandez和Zavattieri一直在组织和领导针对学生和年轻调查员的指导活动。这项工作得到了国家关节炎，肌肉骨骼和皮肤病研究所的资助以及Zavattieri所获得的国家科学基金会的职业奖。

有关此研究的更多信息，请阅读《骨骼结构发现启发更多耐用，轻巧的飞机机翼》。

参考：Ashley M. Torres，Adwait A.Trikanad，Cameron A.Aubin，Floor M.Lambers，Marysol Luna，Clare M.Rimnac，Pablo Zavattieri和Christopher J.Hernandez的“骨启发式微架构实现了更长的疲劳寿命”，2019年11月18日，美国国家科学院院刊。DOI：
10.1073 / pnas.1905814116