硬-软材料界面的优化骨-肌腱连接的3D打印模拟

大多数人都会遇到笔记本电脑充电器在柔性电缆与固体适配器相遇的地方断裂的情况。这只是有效连接硬质材料和软质材料有多么困难的一个例子。代尔夫特理工大学的研究人员使用独特的3D打印工艺生产了混合多材料界面，该界面非常接近自然的骨-肌腱连接设计。他们的研究成果最近发表在《自然通讯》上，具有许多潜在的应用前景。

尽管骨骼和筋腱的硬度差异很大，但它们在人体中的交汇处却从未中断。正是这种骨与腱的连接激发了机械、海事和材料工程学院(3mE)的研究团队探索优化人造材料硬、软界面的方法。

设计灵感

生物材料和组织生物力学教授AmirZadpoor解释说，只要两种连接材料之间不匹配，就会导致应力集中。这意味着机械应力会传递到连接点，通常会导致较软的材料失效。自然界中常见的现象之一是界面属性的逐渐变化。

“硬质材料不会突然变成软质材料，”扎德普尔说。“它逐渐变化，从而消除了压力集中。”考虑到这一点，研究人员使用不同的几何形状和多材料3D打印技术来增加硬界面和软界面之间的接触面积，从而模仿自然的设计。

另一个设计考虑因素是软材料在失效前可以承受的力低于硬材料。该手稿的第一作者MauricioCruzSaldivar博士说：“只有使界面与软材料一样坚固才有意义，因为如果它更强，软材料无论如何都会失效，这就是你的理论极限。”

与对照组相比，研究人员能够将界面的韧性值提高50%。该团队表示，接近理论上可能的极限是这项研究的主要贡献之一。但该研究还产生了一套用于提高仿生软硬界面机械性能的设计指南，这些原则是普遍适用的。

该团队开发的技术还可以一次制造整个产品。这很重要，因为具有多种材料的产品通常通过粘合剂粘合。零件可以像汽车或航空航天应用中那样进行组装或机械连接。

助理教授ZjenjaDoubrovski表示：“但我们正在努力消除所涉及的额外步骤，并将所有内容一次性完成。”“这使我们能够将更奇特的材料组合在一起，例如，具有更高阻尼阻力的材料与更强的材料。”并且这种组合能够实现更高范围的适用性。

未来的应用

利用这项技术可以做很多事情。潜在的应用包括医疗设备、软机器人和柔性设备。但该团队还致力于探索与活细胞建立接口，以实现将植入物连接到周围软组织等程序。

“最终，我们希望再生骨骼以及骨骼和肌肉之间的连接，”助理教授穆罕默德·J·米尔扎利(MohammadJ.Mirzaali)说。“这意味着将活细胞整合到这个界面中，这会增加构造的多层复杂性。”最终，这项工作的结果为一系列未来的研究敞开了大门。

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