Możliwe jest, że już wkrótce naukowcy będą tworzyć materiały i metody, które przewyższą wydajnością systemy naturalne. Aby sprawdzić i wykazać tę zdolność, inżynierowie z MIT opracowali i wydrukowali materiał 3D, który ma wysoką odporność na pękanie i jest podobny do kości, , a ich praca została opublikowana w Advanced Functional Materials.
Biomimikra czyli naśladowanie natury i systemów naturalnych w celu rozwiązania problemów ludzkich, może być bardzo skuteczne. Drukowanie w 3D jest odpowiednią technologią do odkrywania i realizacji projektów biomimikrowych, ponieważ można produkować zarówno bardzo małe przedmioty, jak i złożone obiekty, które mogą współpracować z żywymi tkankami.
Z funduszy biura US Army Research, Markus Buehler, profesor nadzwyczajny na Wydziale Budownictwa i Inżynierii Środowiska, doktoranci Leon Dimas i Graham Bratzel i Stratasys oraz lider zespołu Ido Eylon użyli komputerowych zoptymalizowanych modeli opartych na naturze, aby produkować materiały z druku 3D, które mają podobne cechy do ich naturalnych odpowiedników. Buehler studiował struktury molekularne biomateriałów i powiedział: „Geometryczne wzory stosowane z syntetycznych materiałów są oparte na tych obserwowanych w naturze, takich jak kości lub masa perłowa, a również z nowych projektów, które nie występują w przyrodzie.” Owa KOŚĆ jest z przede wszystkim złożona z dwóch substancji: miękkiego białka kolagenu i sztywnych hydroksyapatytów mineralnych, a ich układ jest hierarchiczny, co powoduje, że kości mogą być mocne i elastyczne, pozostając lekkie.
Naukowcy stworzyli trzy syntetyczne materiały kompozytowe… Pierwsza próbka symuluje właściwości mechanicznych kości i masy perłowej. Ten syntetyczny materiał ma mikroskopijny wzór, który wygląda jak mór złożony z cegły i zaprawy: miękki czarny polimer działa jak zaprawa, a sztywny niebieski polimer tworzy cegły. Innym kompozyt symuluje mineralny kalcyt, z odwróconym wzorem cegły gdzie zaprawa jest wypełnieniem zamkniętym w sztywnych ogniwach polimerowych. Trzeci kompozyt ma wzór diamentu przypominający skórę węża. Był specjalnie dostosowany do poprawy na jednym aspekcie zdolności kości do zmiany i rozprzestrzeniania uderzenia. Kościo-podony materiał wykazywał odporność na pękanie 22 razy większą niż obu materiałów, z których zostało wykonane. Zespół oczywiście miał dostęp do wielomateriałowej drukarki 3D, prawdopodobnie marki Stratasys.
Przed drukiem 3D materiałów, były one testowane w symulacji komputerowej. Ku radości naukowców, wyniki symulacji potwierdzają wyniki otrzymane w rzeczywistości. „Co najważniejsze, eksperymenty potwierdziły przewidywaną obliczeniowo próbkę kości wykazującą największą odporność na pękanie”, powiedział Dimas. To ważne, ponieważ symulacje można tworzyć szybciej niż rzeczywiste materiały i dokładne symulacje dają wgląd w to, których materiałów nie produkować, oszczędzając w ten sposób firmament.
Synergia Biomimikry, symulacji komputerowej i druku 3D jest również godna uwagi. Jennifer Lewis, Hansjörg Wyss profesor (Biologically Inspired Engineering – Harvard University) powiedział: „siła integracji projektowania, modelowania komputerowego i druku 3-D może być tylko w pełni zrealizowane, gdy narzędzia te są łączone w celu wygenerowania całkowicie nowych” metamateriałów „- innymi słowy, tych, które dziś jeszcze nie istnieją w żadnej z postaci: inżynieryjnej czy biologicznych.
Buehler uważa, metodę można skalować do tworzenia budynków, takie cuda architektury mogą być odporne na burze i trzęsienia ziemi. Ale co ze skalowaniem w dół? Być może rzeczywiste zamienniki kości można opracować dla tych, którzy chorują na raka, doznają urazów, lub po prostu chcą wytrzymalsze kończyny. „Możliwości wydają się nieograniczone, a my dopiero zaczynamy przesuwać granice tego rodzaju cech geometrycznych i kombinacji materiałowych, które możemy w przyszłości drukować.„
