模仿骨骼的輕質3D打印材料

張麻子

人體的骨骼和3D打印建筑有什么共同點？這兩者的內部都有柱子和橫梁，這決定了它們的使用壽命。現在，科學家們搞清楚了人類骨骼中的“梁”如何在人的一生中處理磨損，這一發現將會轉化為3D打印輕質材料的發展，使這種材料可以在建筑物、飛機和其他結構中使用更長時間。

康奈爾大學、普渡大學和凱斯西儲大學的一組研究人員發現，當他們模仿這種“梁”并使其厚度增加30%左右時，人造材料的壽命可能會延長100倍。

普渡大學萊爾斯土木工程學院的教授巴勃羅·扎瓦蒂耶里說道：“人體的骨骼就像建筑物一樣，其內部有承擔大部分負荷的柱子和連接這些柱子的橫梁。我們可以從這種材料中學習，為建筑物和其他結構創造更堅固的3D打印材料。”

骨骼的耐久性來自于一種叫做骨小梁的海綿狀結構，這種結構是由垂直板狀支柱和水平桿狀支柱組成的網絡，它們相互連接，起到了柱子和梁的作用。骨小梁密度越高，骨骼對日常活動的適應能力就越強，但是疾病和年齡會影響這種密度。而在發表于《美國國家科學院院刊》的一項研究中，研究人員發現，盡管垂直支柱有助于骨骼的剛度和強度，但實際上是看似微不足道的水平支柱提高了骨骼的疲勞壽命。

康奈爾大學的克里斯托弗·赫爾南德斯的研究小組懷疑水平支撐結構對骨骼的耐久性很重要，這與骨小梁研究領域普遍持有的觀點相反。生物醫學工程學教授埃爾南德斯表示：“當人們老化時，他們首先失去這些水平支柱，這增加了骨骼在多重循環載荷下斷裂的可能性，進一步研究這些結構可以為骨質疏松癥患者提供更好的治療方法。”

與此同時，3D打印的房屋和辦公空間正在進入建筑業。盡管生產速度遠遠快于傳統工藝，但這些打印出的房屋也需要足夠堅固，才適于居住或是應對自然災害。這個問題可以通過重新設計水泥本身的內部結構來解決，扎瓦蒂耶里的實驗室一直在開發受自然啟發的結構材料，提高它們的性能并使其更加實用。扎瓦蒂耶里的實驗室致力于機械分析模擬，以確定水平支柱是否在人類骨骼中發揮比以前認為的更大的作用，然后他們設計了結構類似于骨小梁的3D打印聚合物。模擬結果表明，水平支柱確實是延長骨骼疲勞壽命的關鍵。

這項工作的合著者，普渡大學土木工程專業的博士生阿德維特·特里卡納德表示：“當我們對循環載荷下的骨骼微觀結構進行模擬時，我們能夠看到應變會集中在這些水平支柱上，通過增加這些水平支柱的厚度，我們能減輕其應變。”。將循環載荷施加到3D打印聚合物上，證實了這一發現。水平支柱越厚，聚合物承受載荷的持續時間就越長。因為增厚支柱并沒有顯著增加聚合物的質量，研究人員相信這種設計對于創造更有彈性的輕質材料是很有用的。

本文來源： phys，譯者：Lough

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