En la búsqueda de nuevos materiales duraderos y ligeros, los investigadores del MIT han creado con éxito una estructura artificial de hueso con el uso de la impresión 3-D.
Usando una combinación de diseños optimizados por ordenador y materiales sintéticos, los ingenieros han empujado a la revolución de la impresión 3-D aún más hasta la creación de hueso artificial, un material compuesto que es más de 20 veces más resistente a la fractura que sus materiales individuales.
Markus Buehler, del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del Instituto de Tecnología de Massachusetts y su equipo de investigadores han compartido sus resultados en la revista Advanced Functional Materials .
La impresión de hueso sintético es satisfactoria ya que los investigadores usaron una impresora 3D capaz de usar dos polímeros sintéticos en un patrón geométrico optimizado. Hasta ahora, muchos de los logros de la impresión 3-D se han basado en un único polímero, que presenta una gran limitación. En la búsqueda de nuevos materiales duraderos y ligeros, los investigadores han observado compuestos naturales, como el hueso y la perla, en busca de la inspiración.
El hueso es complejo. Se compone principalmente de dos materiales: una matriz de colágeno elástico suave que sirve como un esqueleto a la hidroxiapatita, un mineral duro y quebradizo. A menudo es considerado como una estructura estática, los huesos humanos se encuentran en un estado de flujo constante de desmontado y reconstruido, en función de la tensión mecánica y la demanda de minerales del cuerpo.
La Naturaleza ha concedido a la estructura ósea un diseño sofisticado que resulta difícil de emular en un laboratorio. La formación del hueso se realiza en capas jerárquicas, con lo que la estructura que varía en cada nivel. El hueso cortical, el sólido que forma la parte exterior de los ejes, se compone de paquetes de capas de hueso concéntricos, en el que cada uno contiene un canal microscópico. El hueso rabecular, también conocido como hueso esponjoso, parece ser una malla caótica en una primera observación, pero está optimizado estructuralmente para soportar el peso.
El metamaterial resultante se compone de tres materiales compuestos, cada uno construido al igual que las paredes de ladrillo y mortero, consistente en una estructura de esqueleto flexible, lleno de materiales frágiles diseñados para imitar la dureza asociada con el hueso. Los ingenieros diseñaron estructuras compuestas que combinan patrones naturales que se encuentran en los huesos y las optimizadas a través de la simulación por ordenador. El efecto de la estructura jerárquica resultó ser significativa, con un compuesto 22 veces más resistente a la fractura que uno de sus materiales individuales.
Los investigadores sometieron a diferentes diseños compuestos a prueba para ver si podían soportar el estrés y la fractura similar al hueso. Los materiales optimizados por ordenador fueron los más resistentes a la fractura.
"Lo más importante, los experimentos confirmaron la predicción computacional de la muestra que presenta mayor resistencia a la fractura", dijo el estudiante graduado de Leon Dimas, quien es el primer autor del artículo.
Estructuras creadas en impresoras 3-D a partir de una combinación de polímeros pueden tener una amplia gama de aplicaciones, desde injertos óseos artificiales, hasta la impresión de edificios enteros, ladrillo por ladrillo.
"Los ingenieros ya no se limitan a los modelos naturales. Podemos diseñar nuestro propio, modelo que puede funcionar incluso mejor que los que ya existen", dijo Buehler.
Souce: Dimas LS, Bratzel, GH, Eylón I, Buehler MJ. Composites difíciles Inspirado por los materiales naturales mineralizados:. Computación, la impresión 3D, y comprobación de Materiales Avanzados Funcionales . 2013.
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