‘Edifícios’ no osso humano podem ser a chave para estruturas leves impressas em 3D mais fortes

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O que ossos e edifícios impressos em 3D têm em comum? Ambos têm colunas e vigas no interior que determinam quanto tempo duram.

Agora, a descoberta de como um “feixe” em material ósseo humano lida com o desgaste de uma vida inteira pode se traduzir no desenvolvimento de materiais leves impressos em 3D que duram o tempo suficiente para uso mais prático em edifícios, aeronaves e outras estruturas.

Uma equipe de pesquisadores da Cornell University, Purdue University e Case Western Reserve University descobriu que, quando imitavam esse feixe e o tornavam cerca de 30% mais espesso, um material artificial poderia durar até 100 vezes mais.

“O osso é um edifício. Possui essas colunas que transportam a maior parte da carga e vigas que conectam as colunas. Podemos aprender com esses materiais para criar materiais impressos em 3D mais robustos para edifícios e outras estruturas”, disse Pablo Zavattieri, professor de Escola Lyles de Engenharia Civil de Purdue. Os ossos obtêm sua durabilidade a partir de uma estrutura esponjosa chamada trabéculas, que é uma rede de suportes verticais interligados em forma de placa e suportes horizontais em forma de haste, atuando como colunas e vigas.

Quanto mais densas as trabéculas, mais resistente é o osso para as atividades diárias. Mas doenças e idade afetam essa densidade. Em um estudo publicado no Proceedings da National Academy of Sciences , os pesquisadores descobriram que, embora as hastes verticais contribuam para a rigidez e a força de um osso, na verdade são as hastes horizontais aparentemente insignificantes que aumentam a vida de fadiga do osso.

O grupo de Christopher Hernandez em Cornell suspeitava que as estruturas horizontais dos suportes eram importantes para a durabilidade óssea, contrariamente às crenças comuns no campo sobre trabéculas.

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“Quando as pessoas envelhecem, elas perdem esses apoios horizontais primeiro, aumentando a probabilidade de o osso se partir de múltiplas cargas cíclicas”

“Quando as pessoas envelhecem, elas perdem esses apoios horizontais primeiro, aumentando a probabilidade de o osso se partir de múltiplas cargas cíclicas”, disse Hernandez, professor de engenharia mecânica, aeroespacial e biomédica.

O estudo adicional dessas estruturas poderia fornecer melhores maneiras de tratar pacientes que sofrem de osteoporose.

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Enquanto isso, casas e escritórios impressos em 3D estão entrando na indústria da construção. Embora a produção seja muito mais rápida e barata do que as contrapartes tradicionais, mesmo as camadas impressas de cimento precisariam ser suficientemente fortes para lidar com desastres naturais – pelo menos assim como nas casas de hoje.

Esse problema poderia ser resolvido através da reformulação cuidadosa da estrutura interna, ou “arquitetura”, do próprio cimento. O laboratório de Zavattieri tem desenvolvido materiais arquitetados inspirados na natureza, aprimorando suas propriedades e tornando-os mais funcionais.

Como parte de um esforço contínuo para incorporar as melhores táticas de força da natureza nesses materiais, o laboratório de Zavattieri contribuiu para simulações de análises mecânicas, determinando se os suportes horizontais podem desempenhar um papel maior no osso humano do que se pensava anteriormente. Eles então projetaram polímeros impressos em 3D com arquiteturas semelhantes às trabéculas.

As simulações revelaram que os apoios horizontais eram críticos para prolongar a vida de fadiga do osso.

“Quando executamos simulações da microestrutura óssea sob carga cíclica, pudemos ver que as deformações se concentravam nessas estruturas horizontais e, aumentando a espessura dessas estruturas horizontais, conseguimos mitigar algumas das estruturas observadas, “disse Adwait Trikanad, coautor deste trabalho e doutorado em engenharia civil. aluno da Purdue.

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A aplicação de cargas nos polímeros impressos em 3D inspirados nos ossos confirmou essa descoberta. Quanto mais espessas as hastes horizontais, mais tempo o polímero duraria, pois levaria carga. Como o espessamento das hastes não aumentou significativamente a massa do polímero, os pesquisadores acreditam que esse design seria útil para criar materiais leves e mais resilientes.

“Quando algo é leve, podemos usar menos”, disse Zavattieri. “Criar um material mais forte sem torná-lo mais pesado significaria que estruturas impressas em 3D poderiam ser construídas e transportadas. Essas idéias sobre o osso humano poderiam ser um facilitador para trazer mais materiais arquitetônicos para a indústria da construção”.

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