骨にヒントを得て、科学者たちはステレオリソグラフィーを利用して、剛性を調整できる軽量素材を開発している。

骨にヒントを得て、科学者たちはステレオリソグラフィーを利用して、剛性を調整できる軽量素材を開発している。
この投稿は warrior bear によって 2022-4-26 20:16 に最後に編集されました。

出典: cnBeta.COM

科学者は次世代の材料を研究する際に、しばしば自然にインスピレーションを求めるが、骨と木の多孔質の微細構造を研究するエンジニアのチームが、幅広い可能性を秘めたバイオミミクリーの巧妙な例を思いついたとニューアトラス誌が報じている。小さな気孔がたくさんある軽量の新素材は、外科用インプラントや航空機に応用され、応力を受ける部分に高い剛性をもたらす可能性がある。


プリンストン大学とジョージア工科大学の研究者らが考案した新素材の設計は、スピノーダル微細構造と呼ばれるものを特徴としている。メッシュの微細な孔は、骨、動物の角、木材などの天然素材に見られるさまざまな種類の孔をモデルにしており、最適なパフォーマンスを実現するために、柱、ダイヤモンド、球などのさまざまな形状になっています。構造内の穴の向き、サイズ、形状を微調整することで、たとえば特定の方向に剛性を持たせたり、材料の密度や重量を制御したりすることができます。

「実際の構造と微細構造が連携して、優れた特性が得られるのです」とジョージア工科大学の大学院生で、この新しい研究の筆頭著者であるフェルナンド・バスコンセロス・ダ・セニョーラ氏は述べた。


研究者らは、フォトポリマー樹脂で作られた顔面インプラントのプロトタイプを設計し、3Dプリントすることで、これらの材料の可能性を実証しました。このインプラントは、慎重に設計された支柱とレンズ豆型の穴を特徴としており、噛む力に耐えられるほどの強度を持ちながら、体液の流れを促進することで骨の成長と治癒を促進するサイズになっています。

科学者らによれば、形状を非常に細かく調整できるため、これらのインプラントはさまざまな材料から作ることができるという。別の例では、スピン微細構造を、エンジンを航空機に固定するジェットエンジン ブラケットの基礎として使用しました。しかし、人体へのインプラントの場合、生物学的に安全な材料が当然の選択となるでしょう。

「優れているのはベースとなる材料ではなく、微細な特徴です」とジョージア工科大学機械工学部の助教授で共同執筆者のエミリー・サンダース氏は言う。「理論上は、どんな材料でも足場を作ることができますが、探究するのに最適なのは生体適合性材料です。」

研究者らは、構造化材料と呼ぶこれらの創造物の可能性は、単一の物体内で異なるタイプの微細構造間をシームレスに移行する方法にあると述べている。これにより、剛性やその他の特性を微調整しながらも弱点が生まれにくくなります。

「私たちは、さまざまなスケールでの材料構造の最適化と付加製造を組み合わせた非常に強力な技術を持っています」と、このプロジェクトの主任研究者であるグラウシオ・パウリーノ氏は語った。「スケーリングの意味で幅広い用途があり、ナノテクノロジーやマイクロテクノロジーだけでなく、メソスケールやマクロスケールにも適用できます。」

この研究は、「マルチスケール設計と製造のための最適に調整されたスピノーダル構造材料」と題された論文として、Advanced Materials 誌に掲載されました。


関連論文リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202109304
ステレオリソグラフィー

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