Imitación impresa en 3D de conexiones hueso-tendón

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Los diseños de interfaz blanda y dura se probaron en condiciones de tracción. a Probetas de ensayo de tracción estándar equipadas con un gradiente funcional que une las fases de polímero duro y blando a través de funciones lineales de la fracción de volumen de la fase dura (s) (grosor fuera del plano = 4 mm). B Todos los diseños iniciales tienen diferentes anchos de grado funcional (Wgramo) y el porcentaje calculado del área de contacto normal suave y dura (AC). Combinamos tres valores diferentes de la longitud del gradiente (Wgramo) con cinco geometrías de células unitarias diferentes (es decir, Octo, Diamantes, Giroides, hélices similares a colágeno y moléculas distribuidas aleatoriamente). crédito: Comunicaciones de la naturaleza (2023). doi: 10.1038/s41467-023-43422-9

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Los diseños de interfaz blanda y dura se probaron en condiciones de tracción. a Probetas de ensayo de tracción estándar equipadas con un gradiente funcional que une las fases de polímero duro y blando a través de funciones lineales de la fracción de volumen de la fase dura (s) (grosor fuera del plano = 4 mm). B Todos los diseños iniciales tienen diferentes anchos de grado funcional (Wgramo) y el porcentaje calculado del área de contacto normal suave y dura (AC). Combinamos tres valores diferentes de la longitud del gradiente (Wgramo) con cinco geometrías de células unitarias diferentes (es decir, Octo, Diamantes, Giroides, hélices similares a colágeno y moléculas distribuidas aleatoriamente). crédito: Comunicaciones de la naturaleza (2023). doi: 10.1038/s41467-023-43422-9

La mayoría de las personas pueden sentir la falla del cargador de su computadora portátil en el lugar donde el cable flexible se encuentra con el adaptador rígido. Este es sólo un ejemplo de lo difícil que es manipular eficazmente materiales tanto duros como blandos. Utilizando un proceso de impresión 3D único, los investigadores de TU Delft han producido interfaces híbridas de múltiples materiales que han alcanzado una convergencia notable con el diseño natural de las conexiones hueso-tendón. Los resultados de su reciente investigación. publicado en Comunicaciones de la naturalezaTiene muchas aplicaciones potenciales.

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A pesar de la enorme diferencia de rigidez entre huesos y tendones, sus intersecciones en el cuerpo humano nunca fallan. Es esta conexión hueso-tendón la que inspiró a un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería Mecánica, Marina y de Materiales (3mE) a explorar formas de mejorar las interfaces duras y blandas de los materiales fabricados por el hombre.

Inspiración de diseño

Cuando hay una falta de coincidencia entre dos materiales en contacto, se produce una concentración de tensiones, explica Amir Zadpour, profesor de biomateriales y biomecánica de tejidos. Esto significa que la tensión mecánica se transmite al punto de contacto y normalmente provoca la falla del material blando. Una de las cosas que ocurre en la naturaleza es un cambio gradual en las propiedades de la interfaz.

«Un material duro no se convierte de repente en un material blando», afirma Zadpour. «Cambia gradualmente y esto reduce la concentración del estrés». Con esto en mente, los investigadores utilizaron diferentes geometrías y tecnología de impresión 3D multimaterial para aumentar el área de contacto entre las interfaces duras y blandas, imitando así el diseño de la naturaleza.

Otra consideración de diseño es que la fuerza que un material blando puede soportar antes de fallar es menor que la de un material duro. “Sólo es importante hacer que la interfaz sea tan fuerte como el material blando, porque si fuera más fuerte, el material blando fallaría de todos modos, y ese es su límite teórico”, dice el Dr. Mauricio Cruz Saldívar, primer autor del manuscrito.

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Los investigadores consiguieron mejorar los valores de dureza de las fachadas en un 50% en comparación con el grupo de control. Acercarse al límite teóricamente posible es una de las principales contribuciones de esta investigación, según el equipo. Pero el estudio también arrojó un conjunto de pautas de diseño para mejorar el rendimiento mecánico de interfaces rígidas blandas bioinspiradas, principios que son universalmente aplicables.

Crédito: Universidad Tecnológica de Delft

Producto completo de una vez

La tecnología desarrollada por el equipo también permite fabricar un producto completo a la vez. Esto es importante porque los productos que contienen múltiples materiales generalmente están unidos mediante adhesivos. Las piezas pueden ensamblarse o conectarse mecánicamente como en aplicaciones automotrices o aeroespaciales.

«Pero lo que estamos tratando de hacer es eliminar los pasos adicionales involucrados y tener todo de una vez», dice la profesora asociada Zenja Dobrowski. «Esto nos permite combinar materiales más exóticos, por ejemplo, materiales que tienen mayor resistencia a la amortiguación que materiales más fuertes». Esta combinación permite un mayor rango de aplicabilidad.

Aplicaciones futuras

Se pueden hacer muchas cosas con esta tecnología. Las aplicaciones potenciales incluyen dispositivos médicos, robótica blanda y dispositivos flexibles. Pero el equipo también pretende explorar la creación de interfaces con células vivas para permitir procedimientos como la fijación de implantes al tejido blando circundante.

El profesor asistente Muhammad J. dice: Mirzali: «En última instancia, queremos la regeneración ósea y la conexión entre hueso y músculo». «Esto significaría incorporar células vivas en esta interfaz, lo que agregaría múltiples capas de complejidad a la construcción». En última instancia, los resultados de este trabajo dejan la puerta abierta a una serie de estudios futuros.

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más información:
MC Saldívar et al, Diseño racional bioinspirado de interfaces rígidas blandas bimaterial impresas en 3D, Comunicaciones de la naturaleza (2023). doi: 10.1038/s41467-023-43422-9

Información de la revista:
Comunicaciones de la naturaleza


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