Les conceptions d'interface souple-dure testées dans des conditions de traction. a Les éprouvettes de traction standard fournies avec un gradient fonctionnel reliant les phases polymères dures et molles via des fonctions linéaires de fraction volumique de phase dure (p) (épaisseur hors plan = 4 mm). b Toutes les conceptions initiales avec différentes largeurs de dégradés fonctionnels (Wg) et leur pourcentage calculé de la surface de contact normale souple-dure (Ac). Nous avons combiné trois valeurs différentes de la longueur du gradient (Wg) avec cinq géométries de cellules unitaires différentes (c'est-à-dire Octo, diamants, gyroïdes, hélices de type collagène et particules distribuées de manière aléatoire). Crédit: Communications naturelles (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-43422-9
La plupart des gens peuvent comprendre qu'un chargeur d'ordinateur portable se casse là où le câble flexible rencontre l'adaptateur solide. Ce n’est là qu’un exemple de la difficulté d’interfacer efficacement des matériaux durs et mous. À l’aide d’un processus d’impression 3D unique, les chercheurs de la TU Delft ont produit des interfaces hybrides multi-matériaux qui se rapprochent remarquablement de la conception naturelle des connexions os-tendon. Les résultats de leurs recherches, récemment publiés dans Communications naturellesont de nombreuses applications potentielles.
Malgré la grande différence de dureté entre les os et les tendons, leurs intersections dans le corps humain ne manquent jamais. C’est cette connexion os-tendon qui a inspiré une équipe de chercheurs de la faculté de génie mécanique, maritime et des matériaux (3mE) à explorer les moyens d’optimiser les interfaces dures et souples des matériaux fabriqués par l’homme.
Inspiration de conception
Chaque fois qu'il y a un décalage entre deux matériaux connectés, cela entraîne une concentration de contraintes, explique Amir Zadpoor, professeur de biomatériaux et de biomécanique tissulaire. Cela signifie que la contrainte mécanique se dirige vers le point de connexion et entraîne généralement la rupture du matériau le plus tendre. L’une des choses observées dans la nature est un changement progressif des propriétés au niveau d’une interface.
“Un matériau dur ne devient pas soudainement un matériau mou”, explique Zadpoor. “Cela change progressivement et cela atténue la concentration du stress.” Dans cet esprit, les chercheurs ont utilisé différentes géométries et une technique d'impression 3D multi-matériaux pour augmenter la zone de contact entre les interfaces dures et souples, imitant ainsi la conception de la nature.
Une autre considération de conception est que la force qu'un matériau mou peut tolérer avant la rupture est inférieure à celle d'un matériau dur. “Il est seulement pertinent de rendre l'interface aussi solide que le matériau souple, car si elle est plus solide, le matériau souple échouera de toute façon et c'est votre limite théorique”, explique le Dr Mauricio Cruz Saldivar, le premier auteur du manuscrit.
Les chercheurs ont pu améliorer les valeurs de ténacité des interfaces de 50 % par rapport à un groupe témoin. Se rapprocher de la limite de ce qui est théoriquement possible est l’une des principales contributions de cette recherche, selon l’équipe. Mais l’étude a également abouti à un ensemble de lignes directrices de conception visant à améliorer les performances mécaniques des interfaces souples-dures bioinspirées, principes universellement applicables.
Un produit complet en une seule fois
La technique développée par l'équipe permet également de fabriquer un produit complet en une seule fois. Ceci est important car les produits comportant plusieurs matériaux sont généralement fixés par des adhésifs. Les pièces peuvent être assemblées ou connectées mécaniquement comme dans les applications automobiles ou aérospatiales.
“Mais ce que nous essayons de faire, c'est de supprimer les étapes supplémentaires impliquées et de tout faire en une seule fois”, explique le professeur adjoint Zjenja Doubrovski. “Cela nous permet de combiner des matériaux encore plus exotiques, par exemple des matériaux qui ont une plus grande résistance à l'amortissement par rapport à des matériaux qui sont plus résistants.” Et cette combinaison permet une gamme d’applicabilité plus large.
Applications futures
Beaucoup de choses peuvent être réalisées avec cette technologie. Les applications potentielles incluent les dispositifs médicaux, la robotique logicielle et les dispositifs flexibles. Mais l’équipe vise également à explorer la création d’interfaces avec des cellules vivantes pour permettre des procédures telles que la connexion d’implants aux tissus mous environnants.
“À terme, nous aimerions régénérer l'os et la connexion entre l'os et le muscle”, explique le professeur adjoint Mohammad J. Mirzaali. “Cela signifierait intégrer des cellules vivantes dans cette interface, ce qui ajouterait plusieurs couches de complexité à la construction.” En fin de compte, les résultats de ces travaux laissent la porte grande ouverte à de nombreuses études futures.
Plus d'information:
MC Saldívar et al, Conception rationnelle bioinspirée d'interfaces souples-dures bi-matériaux imprimées en 3D, Communications naturelles (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-43422-9
Fourni par l'Université de technologie de Delft
Citation: Optimisation des interfaces entre matériaux durs et mous : une imitation imprimée en 3D des connexions os-tendon (12 décembre 2023) récupérée le 12 décembre 2023 sur
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