25 آوریل 2022 – توسط دانشگاه پرینستون
این اجسام متخلخل که برای تقلید از استخوان، چوب و سایر مواد طبیعی طراحی شده‌اند، سبک‌تر از محصولات سنتی هستند و می‌توان آنها را به‌طور استراتژیک در سازه‌ها قرار داد تا سفتی بالاتری را در مناطق با تقاضای بالا ارائه دهد. اعتبار: پائولینو و همکاران
این ساختارهای متخلخل که توسط محققان دانشگاه پرینستون و جورجیا Tech ایجاد شده‌اند، دارای ریزساختارهای اسپینودال هستند – شبکه‌هایی از سوراخ‌های طراحی شده ویژه که می‌توانند برای دستیابی به رفتار بهینه در مقیاس ماکرو تنظیم شوند. در یک مطالعه جدید که به صورت آنلاین در 16 مارس در مجله Advanced Materials منتشر شد، تیم تحقیقات مختلف این ریزساختارهای نخاعی را برای طراحی و نمونه اولیه ایمپلنت های صورت برای جراحی ترمیمی و قطعات سفت و سبک وزن برای هواپیما ترکیب کردند.
دیوید بیگونی، استاد مکانیک جامدات و سازه در دانشگاه تورنتو که در این تحقیق دخالتی نداشت، نتایج را یک “دستیابی به موفقیت” خواند. او گفت: “نویسندگان روشی هوشمندانه برای اجازه دادن به انتقال مداوم بین مناطق با معماری های مختلف یافته اند. این مفهوم نهایی شبیه سازی زیستی است، زیرا تمام ساختارهای طبیعی سیستم های پیوسته را تشکیل می دهند. این واقعیتی است که از زمان های قدیم شناخته شده است .
بسیاری از مواد طبیعی از جمله استخوان، شاخ حیوانات، چوب و اسکلت پر از سوراخ هستند. فضاهای خالی مواد را سبک می کند و در برخی موارد به مایعات بدن اجازه می دهد از طریق منافذ حرکت کنند. در استخوان‌ها، این فضاها امکان فرآیند بازسازی را فراهم می‌کنند که استخوان را در پاسخ به نیازهای فیزیکی کم و بیش متراکم می‌کند. ایجاد مواد مصنوعی با خواص مشابه چالشی برای مهندسان بوده است.
در مطالعه جدید، محققان این مواد طبیعی را با طراحی ریزساختارهایی با سوراخ هایی با اندازه، شکل و جهت های مختلف تقلید کردند. اشیاء جدید به عنوان مصالح معماری شناخته می شوند که بر اساس رابطه مواد و هندسه عملکرد قابل تنظیمی دارند. سوراخ ها می توانند مانند کره ، الماس (استخوان)، ستون (چوب)، یا عدس (شاخ) شکل می گیرند. محققان می‌توانند با تغییر شکل، مواد را در جهات مختلف سختی ایجاد کنند. آنها چگالی مواد را با تغییر اندازه سوراخ ها کنترل کردند و جهت سوراخ ها را در یک جسم تغییر دادند تا سفتی در مناطق تحت فشار افزایش یابد.
فرناندو واسکونسلوس داسنهورا، دانشجوی فارغ التحصیل در جورجیا تک و اولین نویسنده مطالعه جدید، می گوید: «شما ساختار واقعی و ریزساختار را با هم دارید تا عملکرد برتر را به دست آورید.
برای نشان دادن کاربردهای بالقوه، محققان یک ایمپلنت صورت را طراحی و به صورت سه بعدی پرینت کردند، مانند نوعی که برای ترمیم آسیب شدید صورت ناشی از تصادف رانندگی استفاده می شود. در حال حاضر، جراحان از پلاستیک یا تیتانیوم برای ایجاد ایمپلنت‌های متخلخل استفاده می‌کنند که به استخوان اجازه می‌دهد تا از طریق سوراخ‌ها دوباره رشد کند، اما این ایمپلنت‌ها همان قابلیت تنظیم شدن با معماری‌های اسپینودال را ندارند. محققان بخش‌هایی را با سوراخ‌های ستونی و عدسی‌شکل ترکیب کردند تا ایمپلنتی ایجاد کنند که به اندازه کافی سفت باشد تا در برابر نیروهای جویدن مقاومت کند و دارای سوراخ‌هایی با اندازه مناسب برای رشد و بهبود استخوان باشد. نمونه اولیه ایمپلنت از یک رزین فوتوپلیمر ساخته شده بود، اما می‌توان آن را با استفاده از مواد زیست سازگار برای استفاده در آینده به صورت سه بعدی چاپ کرد.
محققان گفتند این تکنیک دری را برای ایجاد ایمپلنت با انواع مختلف مواد باز می کند زیرا ترکیب هندسه و مواد به طراحان اجازه می دهد تا عملکرد را به خوبی تنظیم کنند.
امیلی سندرز، یکی از نویسندگان و استادیار مهندسی مکانیک در جورجیا تک، می گوید: “این ماده پایه نیست که بهتر است، بلکه ویژگی های میکرو مقیاس بهتر است.” از نظر تئوری، ما می‌توانیم داربست‌ها را از هر ماده‌ای بسازیم – مناسب‌ترین آن، کاوش مواد زیست سازگار است.»
برای نشان دادن کاربرد کاملاً متفاوت، محققان سه نوع ریزساختار را برای ساختن براکت موتور جت ترکیب کردند – بخش مهمی از هواپیما که موتور را در جای خود نگه می‌دارد و باید هم قوی و هم سبک باشد.
Glaucio Paulino، پروفسور مهندسی Margareta E. Augustine و محقق اصلی این پروژه، گفت: «ما تکنیکی داریم که کاملاً قدرتمند است به این معنا که معماری مواد را با بهینه‌سازی در مقیاس‌های مختلف و ادغام آن با ساخت افزودنی ترکیب می‌کند. این می تواند طیف گسترده ای از برنامه ها را داشته باشد
