Optimalisatie van harde-zachte materiaalovergangen: Een 3D-geprinte nabootsing van bot-peesverbindingen

Je laptop- of telefoonoplader die kapot gaat waar de flexibele kabel overgaat op de hard adapter, we hebben het allemaal weleens meegemaakt. Dit is slechts één voorbeeld van hoe moeilijk het is om harde en zachte materialen effectief met elkaar te verbinden. Met een uniek 3D-printproces hebben onderzoekers van de TU Delft hybride verbindingen van meerdere materialen gemaakt die opmerkelijk dicht bij het natuurlijke ontwerp van bot-peesverbindingen komen. Hun onderzoeksresultaten, verschenen in Nature Communications, hebben talloze potentiële toepassingen.

Ondanks het grote verschil in hardheid tussen botten en pezen, gaat deze verbinding in het menselijk lichaam nooit kapot. Het is deze bot-peesverbinding die het team van onderzoekers van de faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalswetenschappen (3mE) inspireerde om de hard-zacht-overgang van door de mens gemaakte materialen te optimaliseren.

Ontwerpinspiratie

Wanneer er een mismatch is tussen twee met elkaar verbonden materialen, resulteert dit in een spanningsconcentratie, legt Amir Zadpoor uit, hoogleraar Biomaterialen en Weefselbiomechanica. Dat betekent dat de mechanische spanning naar het verbindingspunt gaat en meestal resulteert in het breken van het zachtere materiaal. Een van de dingen die je in de natuur ziet is een geleidelijke verandering in eigenschappen. "Een hard materiaal wordt niet plotseling een zacht materiaal", zegt Zadpoor. "Het verandert geleidelijk en dat vlakt de spanningsconcentratie af." Met dat in gedachten gebruikten de onderzoekers verschillende configuraties en een multi-materiaal 3D-printtechniek om het contactoppervlak tussen harde en zachte materialen te vergroten en zo het ontwerp uit de natuur na te bootsen.

Een andere overweging is dat de kracht die een zacht materiaal kan verdragen voordat het bezwijkt, lager is dan die van een hard materiaal. "Het is alleen relevant om de overgang even sterk te maken als het zachte materiaal, want als hij sterker is, zal het zachte materiaal bezwijken", zegt dr. Mauricio Cruz Saldivar, de eerste auteur van het manuscript. De onderzoekers waren in staat om de taaiheidswaarden van verbindingen met 50% te verhogen in vergelijking met een controlegroep. Het benaderen van de grens van wat theoretisch mogelijk is, is volgens het team een van de belangrijkste bijdragen van dit onderzoek. Maar het onderzoek leidde ook tot ontwerprichtlijnen voor het verbeteren van de mechanische prestaties van zacht-harde verbindingen, en deze principes zijn universeel toepasbaar.
 

Toekomstige toepassingen

Deze technologie is breed inzetbaar. Potentiële toepassingen zijn onder andere medische hulpmiddelen, soft robotics en flexibele apparaten. Maar het team wil ook onderzoeken hoe ze verbindingen kunnen maken met levende cellen om zo bijvoorbeeld implantaten te verbinden met het omliggende zachte weefsel. "Uiteindelijk willen we bot en de verbinding tussen bot en spieren regenereren", zegt universitair docent Mohammad J. Mirzaali. "Dat zou betekenen dat we levende cellen moeten integreren in deze verbinding, wat de complexiteit van de constructie verhoogt." Duidelijk is dat deze resultaten de deur wijd open zetten voor een reeks toekomstige onderzoeken naar hard-zachte-verbindingen.