Imiterat ben kan ge lätta och tåliga 3d-utskrifter

Våra benknotor har ett tätt och kompakt hölje av kortikalt ben, vars yta ser ut lite som en golfboll. Innanför finns trabekulärt ben, som utgör 20 procent av skelettet. Den porösa strukturen påminner om en tvättsvamp eller vitmossa – med stående pelare som kopplas samman av horisontella tvärslåar.

Evolutionen har balanserat förhållandet mellan styrka och vikt, och nu samarbetar de tre lärosätena Cornell, Purdue och Case Western Reserve University för att imitera strukturen hos trabekulärt ben. Deras förhoppning är att få fram ett 3d-utskrivet lättviktsmaterial med en hög tålighet som exempelvis skulle kunna användas inom byggbranschen och flygindustrin.

Forskarna upptäckte bland annat att 30 procent tjockare tvärslåar fick deras imiterade ben att hålla upp till hundra gånger längre. För trots att de stående pelarna är kraftigare så är det de tunna horisontella stagen som avgör hur stor belastning som kan hanteras, och hur snabbt benet blir skört av slitaget.

– När vi körde simuleringar av benets mikrostruktur under cyklisk belastning så kunde vi se att påfrestningarna koncentrerades till de här horisontella balkarna, och genom att öka deras tjocklek kunde vi mildra en del av den uppmätta påfrestningen. säger Adwait Trikanad på Purdue Universitys hemsida.

Testet utfördes på utskriven polymer som imiterade trabekulärt ben. Eftersom tvärslåarna är förhållandevis platta så innebär en förstärkning inte någon avsevärd ökning av plastens massa. Därmed anser forskarna att designen kan ge ett tåligare lättviktsmaterial. De har publicerat sin studie i the Proceedings of the National Academy of Sciences.