3D-принтер применен для создания синтетического костного материала

Кость представляет собой пример естественного композитного материала, который состоит из двух компонентов — пластичного белка и жесткого, но хрупкого минерала, объединенных в сложную иерархическую структуру, меняющую свой вид при переходе с микро на макро-уровень. Прочность и малая масса кости часто привлекают внимание исследователей, пытающихся создать синтетические аналоги. Однако процесс самосборки указанной структуры, происходящий в ходе последовательности электрохимических реакций, весьма сложно воспроизвести в лабораторных условиях.

В статье, опубликованной онлайн 17 июня в журнале Advanced Functional Materials, сотрудники Массачусетского технологического института рассказали о том, как, всего за несколько часов, им удалось превратить многоуровневую компьютерную модель синтетического материала в физические образцы. Для образования оптимизированных на компьютере геометрических композиций из входящих в состав композита мягкого и жесткого полимеров они применили 3D-принтер компании Stratasys.

Всего было изготовлено три типа образцов размерами 18×13×2 см. Один из них под микроскопом напоминал кирпичную стену с «кирпичами» из черного жесткого полимера и «цементом» из мягкой разновидности голубого цвета — такое строение характерно для костей или перламутра. Второй композит с мягкими строительными блоками и жестким наполнителем имитировал минерал кальцит. Третий тип имел строение, специально рассчитанное на компьютере для оптимального поглощения и распределения нагрузок, и напоминал под микроскопом решетку алмаза или чешуйчатый рисунок змеиной шкуры.

Эксперименты подтвердили выводы компьютерного моделирования: что структура, подобная костной, обеспечивает наибольшую стойкость к разрушению — в тестах она оказалась в 22 раза больше, чем у наиболее прочного из составляющих веществ. По характеру процесс развития трещин весьма напоминал разрушение костей.

Предложенный процесс, по мнению авторов, пригоден для получения в промышленных масштабах материалов из двух и более компонентов, организованных во всевозможные структуры с целью реализации необходимых прочностных свойств.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365