研究者らは、人間の骨の「梁」にヒントを得て、疲労に強い軽量の 3D プリント材料を開発しました。

出典: 江蘇レーザー連盟

人骨素材の「梁」が生涯にわたる摩耗にどのように対処するかの発見は、建物、航空機、その他の構造物でより実用的に使用できるほど長持ちする 3D プリント軽量素材の開発につながる可能性があります。

微細構造材料は、材料の組成ではなく基礎となる形状によって、単位質量あたりの高い剛性と強度を実現できます。積層造形および格子設計ソフトウェアの最近の進歩により、格子密度とアーキテクチャを迅速に最適化して、低密度マイクロアーキテクチャの剛性、強度、および/またはエネルギー吸収の要件を満たすことができるようになりました。マイクロファブリケーションとナノファブリケーションの進歩により、高い剛性と強度を備えたさまざまな基板から微細構造材料を設計できるようになりました。疲労破壊に対する耐性は、格子微細構造の設計では考慮されないことがよくあります。しかし、微細構造材料は、その複雑な形状により、バルク材料にかかる応力集中よりも桁違いに大きい応力集中を招き、疲労損傷の発生と伝播を促進するため、疲労破壊を起こしやすくなります。疲労寿命要件と剛性、強度、その他の望ましい材料特性とのバランスをとることは、耐久性のあるデバイスに微細構造材料を使用する際の大きな課題です。

天然に存在する材料は、優れた機械的特性を示す可能性があり、微細構造材料の設計に役立つモデルとなります。骨は、密度に比べて高い剛性と強度を備えた生物学的物質です。骨格全体は、海綿骨と呼ばれる泡状の組織を囲む皮質骨と呼ばれる緻密な組織でできた殻で構成されています。海綿骨は、骨梁（厚さ約 50 ～ 300 μm）と呼ばれる相互接続された板状および棒状の支柱のネットワークで構成されています。骨の耐久性は、骨梁と呼ばれるスポンジ状の構造によって得られます。骨梁は、柱や梁として機能する、相互に連結した垂直の板状の支柱と水平の棒状の支柱のネットワークです。骨梁の密度が高いほど、日常の活動中に骨の弾力性が高まります。しかし、病気や加齢によってこの密度が影響を受ける可能性があります。
図 1. この人間の大腿骨の画像には、海綿状の海綿骨を構成する柱である相互接続された白い線が示されています。ある研究では、水平支柱を太くすると骨の疲労寿命が延びることが判明しました。画像提供: クリストファー・ヘルナンデス、コーネル大学
海綿骨の骨梁は、習慣的な身体活動によって生じる応力の方向と優先的に整列し、横方向に等方性の微細構造を形成します。微細構造は海綿骨の機械的特性に寄与する因子として広く認識されていますが、現在までに密度/多孔性と組織テンソル（異方性の尺度）のみが海綿骨の剛性と強度に大きく寄与することが示されており、微細構造のその他の側面の寄与はごくわずかです。海綿骨の疲労特性に対する微細構造の影響については十分に研究されていません。

コーネル大学、パデュー大学、ケース・ウェスタン・リザーブ大学の研究者らは、垂直の支柱が骨の剛性と強度に貢献する一方で、実際には骨の疲労寿命を延ばすのは、一見重要ではないように見える水平の微細構造の支柱であることを発見した。彼らの研究結果は米国科学アカデミー紀要に掲載されました。

▲図2. 微細構造が海綿骨の疲労損傷の蓄積に影響を与える。 (A) 疲労荷重の 3 段階を示す海綿骨のクリープ疲労曲線。海綿骨への周期的な圧縮荷重をクリープ疲労曲線上のさまざまなポイント（データポイント）で停止し、損傷の蓄積パターンを判定しました。 (挿入図) は周期的荷重の波形を示しています。海綿骨の 3D 画像、(B) 緑色は損傷を示す、(C) プレート状および棒状の支柱、(D) 解剖学的位置に対する支柱の方向 (縦、斜め、横)。 (E) 海綿骨の損傷量（損傷体積率、DV/BV）は最大適用ひずみと相関していたが、より太い棒状の骨梁を持つ標本では損傷の蓄積が少なくなっていた（R2 = 0.76、P < 0.01）。誤差バーは線形混合効果モデルから決定された SD を表します。 (F) 疲労寿命の初期段階では、ストラットの破損は主に横方向の棒状ストラットで発生し、最終的な機械的破損は縦方向の板状ストラットの広範囲にわたる破損によって特徴付けられます。
組織の異質性は、海綿骨における損傷の蓄積の主要因でもあり、したがって、ヒトの骨組織における発見の潜在的な説明となる可能性があります。微細構造の影響を材料の不均一性に関連する影響から分離するために、研究者らは高解像度投影ステレオリソグラフィープリンターを使用して海綿骨の微細構造の 3D モデルを生成しました (図 3A および B)。
図 3. 積層造形法で生成された海綿骨モデルは、疲労寿命が微細構造の小さな変化に敏感であることを示しています。 (A) 人間の椎骨海綿骨のデジタル画像を編集し、(B) 高解像度の 3D モデルに印刷しました。
研究者らは、研究結果が他の細胞実体や他の変形メカニズム（曲げと伸張）にも一般化できるかどうかを判断するために、八重奏トラスの印刷モデルと、海綿骨の微細構造と異方性を模倣するために板状と棒状の要素を持つように修正された八重奏トラスを作成しました（図 4A）。海綿骨の微細構造は曲げが支配的な挙動を示し、八重トラスは張力が支配的な変形挙動を示し、骨のような微細構造は張力と曲げの変形挙動の組み合わせを示しました。骨のような微細構造では、横方向の支柱の厚さが増加すると、密度 (+4%) または縦方向の剛性 (+20%) にわずかな変化があるだけで、疲労寿命が 8 倍に増加しました (図 4B)。八角形トラスでは、横方向の支柱の厚さが増加すると、密度 (+10%) または縦方向の剛性 (+14%) にわずかな変化があるだけで、疲労寿命が 5 倍に増加しました (図 4B) (図 4B)。

▲図4. 横方向の体積は繰り返し多孔質体の疲労寿命に影響します。 (A) 骨にヒントを得た微細構造と八重奏トラスを示す画像。 (スケールバー: 5 mm) (B) 設計どおりに印刷された、または太い(色付きの)棒状の支柱が付いた微細構造材料の疲労寿命を示します。横方向の支柱を厚くすると疲労寿命が長くなりますが、垂直方向の支柱を厚くすると疲労寿命が短くなります (比剛性 E0/ρ も表示されます)。
改良された海綿骨微細構造の付加製造<br /> 機械的負荷をかける前に収集された海綿骨サンプルのマイクロコンピュータ断層撮影画像は、表面に材料を追加することでデジタル的に修正されました。高解像度ステレオリソグラフィーシステム (M1、カーボン) を使用して、ウレタンメタクリレートポリマー樹脂 (UMA 90、カーボン、E = 2 GPa) から 1.5 倍等方性倍率 (直径 12 mm、長さ約 30 mm) で基板の 3D 画像を作製しました。印刷された形状の精度は、マイクロコンピュータ断層撮影画像を使用して確認されました。積層造形によって生成されたモデルは、破損するまで（4% のひずみを適用）0 から正規化された初期圧縮応力 σ/E0（9,500、6,500、または 4,500 με に相当）までの周期的疲労荷重にさらされました。この実験では、合計 45 個の海綿骨微細構造モデルが使用されました (5 つの異なる微細構造 × 3 つの異なるロッドの厚さ × 3 つの異なる正規化された応力の大きさ)。ポリマーサンプルの損傷は、放射線不透過性染色浸透剤を使用して特定されました。
▲図5. 研究者らは、人間の骨梁と同じ数のロッドとプレート構造を持つ材料を設計し、それらを周期的なパターンで配置することで、軽量の3Dプリント構造を強化する新しい方法を提供しました。画像提供: パデュー大学写真パブロ・ザヴァティエリ

出典: Ashley M. Torres 他「骨にヒントを得たマイクロアーキテクチャが疲労寿命を延長」米国科学アカデミー紀要 (2019)。DOI: 10.1073/pnas.1905814116

研究者らは、人間の骨の「梁」にヒントを得て、疲労に強い軽量の 3D プリント材料を開発しました。

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