ENGINEERINGNET.BE - Ondanks het grote verschil in hardheid tussen botten en pezen, gaat deze verbinding in het menselijk lichaam normaliter niet kapot. Het is deze bot-peesverbinding die TU Delft inspireerde om de hard-zacht-overgang van door de mens gemaakte materialen te optimaliseren.
Wanneer er een mismatch is tussen twee met elkaar verbonden materialen, resulteert dit in een spanningsconcentratie, aldus Amir Zadpoor, hoogleraar Biomaterialen en Weefselbiomechanica.
Dit 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 plots zacht", zegt Zadpoor. "Het verandert geleidelijk en dat vlakt de spanningsconcentratie af." Daarom 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.
Ook is de kracht die een zacht materiaal kan verdragen voordat het bezwijkt, lager 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, bezwijkt het zachte materiaal.
De wetenschappers waren zo in staat om de taaiheidswaarden van verbindingen met 50% te verhogen. Het onderzoek leidde ook tot ontwerprichtlijnen voor het verbeteren van de mechanische prestaties van zacht-harde verbindingen. Deze principes zijn universeel toepasbaar.
De techniek die door het team is ontwikkeld, maakt het ook mogelijk om een heel product in één keer te maken. Dit is belangrijk omdat producten bestaande uit meerdere materialen meestal met lijm aan elkaar worden bevestigd.
"Wij proberen alles in één keer te maken", vertelt universitair docent Zjenja Doubrovski. "Dat maakt het mogelijk om nog exotischer en van elkaar verschillende materialen te combineren. Bijvoorbeeld materialen die meer dempingsweerstand hebben en materialen die erg krachtig zijn."
Potentiële toepassingen zijn onder meer medische hulpmiddelen, soft robotics en flexibele apparaten. 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."
