ENGINEERINGNET.BE - Over een zeer korte afstand verandert het weefsel van een stijve botstructuur naar een flexibele pees, zonder daarbij aan sterkte of duurzaamheid in te boeten. Die geleidelijke maar heel compacte overgang is voor ingenieurs erg lastig na te maken.
Nu zijn er twee belangrijke typen metamaterialen. Plaatvormige metamaterialen bestaan uit doorlopende oppervlakken, en zijn geschikt voor stijve constructies en de integratie van botcellen.
Staafvormige metamaterialen bestaan uit onderling verbonden balkjes en bootsen de eigenschappen van zachter weefsel na.
“Het combineren van deze twee typen metamaterialen is een grote technische uitdaging”, aldus onderzoeker Jianxing Yang.
“Als je ze direct met elkaar verbindt, ontstaan vaak zwakke plekken die snel breken. Bij een geleidelijke overgang van de ene structuur naar de andere wordt de overgangszone veel langer dan de compacte bot-peesverbinding die we in de natuur zien.”
Daarom ontwikkelde het TU Delft-team een algoritme dat bepaalt welke plaat- en staafvormige structuren goed op elkaar aansluiten en hoe deze optimaal zijn te verbinden.
De methode stemt de vormen van beide structuren op elkaar af en voegt een speciale overgangscel toe die kenmerken van beide typen combineert.
Daardoor ontstaat er geen abrupte grens tussen de structuren, maar een korte en geleidelijke overgang die sterk lijkt op de natuurlijke verbinding tussen bot en pees.
De onderzoekers testten hun aanpak door verschillende ontwerpen te 3D-printen en mechanisch te belasten. De experimenten bevestigden dat de berekende overgangsstructuren een sterke en betrouwbare verbinding vormen tussen beide families van metamaterialen.
In een vervolgonderzoek bestuderen de onderzoekers hoe levende cellen reageren op deze hybride structuren. Hoewel het gedrag van cellen op plaat- en staafvormige metamaterialen afzonderlijk al eerder is onderzocht, is nog weinig bekend over hun reactie op een combinatie van beide architecturen.
“Door cellen te kweken op de nieuw ontwikkelde structuren hopen we beter te begrijpen hoe de geometrie invloed heeft op celhechting, -groei en -differentiatie”, zegt hoogleraar Amir A. Zadpoor.
Zo willen de onderzoekers erachter komen of zulke architectonische overgangen de vorming van verschillende typen weefsel kunnen sturen, net zoals de natuurlijke overgang tussen bot en pees dat doet.
De resultaten bieden onderzoekers nieuwe mogelijkheden voor het ontwerpen van overgangen tussen harde en zachte materialen.
Op termijn kan dit bijdragen aan implantaten en weefselconstructies die mechanisch beter aansluiten bij het menselijk lichaam, en actief de biologische reactie van het lichaam ondersteunen.
