Avanço ósseo pode levar a asas de avião mais duráveis

Os pesquisadores de Cornell fizeram uma nova descoberta sobre como aspectos aparentemente menores da estrutura interna do osso podem ser fortalecidos para resistir ao desgaste repetido, uma descoberta que pode ajudar a tratar pacientes que sofrem de osteoporose. Também poderia levar à criação de materiais mais leves e duráveis ​​para a indústria aeroespacial.

O artigo da equipe, “Microarquiteturas inspiradas em ossos, alcançam uma vida melhorada por fadiga”, foi publicado em 18 de novembro nos Anais da Academia Nacional de Ciências . Os co-autores incluem os estudantes de doutorado de Cornell, Cameron Aubin e Marysol Luna; pesquisador de pós-doutorado Floor Lambers; Pablo Zavattieri e Adwait Trikanad na Universidade Purdue; e Clare Rimnac, da Case Western Reserve University.

Durante décadas, os cientistas que estudavam osteoporose usaram imagens de raios-X para analisar a estrutura dos ossos e identificar pontos fortes e fracos. A densidade é o principal fator geralmente associado à força óssea e, ao avaliar essa força, a maioria dos pesquisadores observa a quantidade de carga que um osso pode suportar ao mesmo tempo.

Mas uma equipe liderada pelo autor sênior Christopher J. Hernandez, professor associado da Escola Sibley de Engenharia Mecânica e Aeroespacial e da Escola Meinig de Engenharia Biomédica, está interessada na vida em fadiga a longo prazo ou em quantos ciclos de carregamento de um osso podem ocorrer. suportar antes que se quebre.

“A melhor maneira de entender as propriedades de fadiga do material é pensar em uma peça no seu carro que quebre de vez em quando, para que você precise levá-la à loja. Bem, por que ele quebrou? Era claramente forte o suficiente, porque funcionou por meses, anos, muito bem. Mas, depois de andar de bicicleta, andar de bicicleta e andar de bicicleta, dezenas de milhões de ciclos, ele quebra “, disse Hernandez. “Conhecemos essa propriedade de materiais há 150 anos e ela está incorporada no design de tudo o que fazemos. Mas poucas pessoas haviam feito esse tipo de estudo sobre o osso”.

A arquitetura interna do osso consiste em suportes verticais em forma de placa que determinam sua força quando sobrecarregados. O osso também possui hastes horizontais em forma de bastão, que têm pouca influência na força e são essencialmente “vitrines”. Hernandez e sua equipe suspeitavam que outros aspectos da arquitetura fossem importantes. Usando um novo software, o autor principal Ashley Torres, MA ’15, Ph.D. ’18, MBA ’19, foi capaz de realizar uma análise mais profunda de uma amostra de osso e constatou que, quando se trata de suportar o desgaste a longo prazo, as hastes horizontais em forma de bastão são críticas para prolongar a vida de fadiga do osso.

“Se você carregar o osso apenas uma vez, é tudo denso e a densidade é determinada principalmente pelas estruturas em forma de placa”, disse Hernandez, que também é um cientista adjunto do Hospital for Special Surgery, afiliado da Weill. Cornell Medicine. “Mas se você pensar em quantos ciclos de carga de baixa magnitude algo pode levar, esses pequenos galhos laterais são o que realmente importa. Quando as pessoas envelhecem, eles perdem esses galhos horizontais primeiro, aumentando a probabilidade de que o osso se quebre de múltiplos ciclos cíclicos. cargas “.

A equipe usou uma impressora 3D para fabricar material inspirado nos ossos feito de um polímero de metacrilato de uretano. Os pesquisadores variaram a espessura das hastes e foram capazes de aumentar a vida em fadiga do material em até 100 vezes.

Hernandez prevê que as redes de microestrutura reforçadas que sua equipe desenvolveu possam ser incorporadas a praticamente qualquer dispositivo e seriam particularmente benéficas para a indústria aeroespacial, onde materiais ultraleves precisam suportar uma tremenda e repetida tensão.

“Toda rajada de vento que um avião atinge causa um ciclo de carga, de modo que uma asa de avião é carregada milhares de vezes durante cada vôo”, disse Hernandez. “Se você deseja fabricar um dispositivo durável ou um veículo que seja leve e que dure muito tempo, é realmente importante quantos ciclos de carregamento da peça podem levar antes que ela se quebre. E a relação matemática que derivamos neste estudo permite que alguém que está projetando uma dessas estruturas de treliça equilibre as necessidades de rigidez e resistência sob uma única carga com as necessidades de tolerar muitos e muitos ciclos de carga de nível inferior “.



PROPAGANDA
PROPAGANDA