Die Entwicklung von Sehnen- und Bändergeweben aus biokompatiblen Materialien stellt chemische, biologische und mechanische Herausforderungen dar. Schwere Verletzungen, die eine Reparatur von Sehnen und Bändern erfordern, sind recht häufig. Zur Wiederherstellung der Funktionsfähigkeit nach einer Reparatur sind wirksame Restaurationsmaterialien erforderlich. Nikos Karathanasopoulos und Oraib Al-Ketan von der New York University in Abu Dhabi arbeiteten daran, Metamaterialien zur Wiederherstellung von Gewebe und Bändern zu finden, die die Mechanik des ursprünglichen Gewebes nachahmen können. Dazu mussten sie Metamaterialarchitekturen finden, die bei normaler Belastung stark und bei Scherbelastung weich sind und sich viel stärker zusammenziehen als herkömmliche technische Materialien.
Additive Fertigung und Prüfung für verschiedene Metamaterial-Architekturen
Karathanasopoulos und Al-Ketan suchten nach Lösungen für die additive Fertigung, um sechs verschiedene einzellige Metamaterialarchitekturen zu testen. Die mechanischen Eigenschaften der Architekturen wurden sowohl in Scher- als auch in einachsigen Druckversuchen getestet.
Mit dem microArch S240 von Boston Micro Fabrication konnten sie Metamaterial-Architekturen in Größenordnungen herstellen, die Merkmale in der Größenordnung von Zehntel-µm und Gesamtprobenlängen in der Größenordnung von mm erfordern. Nachdem sie mehrere Drucker ausprobiert hatten, stellten sie fest, dass der S240 der 3D-Drucker war, der die Proben mit der höchstmöglichen Genauigkeit in den erforderlichen Größenordnungen herstellen konnte. Zu den gedruckten Teilen gehörten diagonale Strebenelemente mit Durchmessern in der Größenordnung von 50 µm.
Experimentelle Leistung
Die 3D-gedruckten Proben zeigten eine sehr gute Reproduzierbarkeit, was die Robustheit des Systems für die untersuchten Metamaterialarchitekturen in den angegebenen Maßstäben belegt. Die Abmessungen der gedruckten Proben lagen im Bereich der in nativen Geweben beobachteten Abmessungen.
Es wurden Metamaterialien identifiziert, die eine beträchtliche Normalsteifigkeit entlang der ursprünglichen Belastungsrichtung des Gewebes, einen geringen Scherwiderstand und eine Poissonzahl von weit über eins bei moderaten relativen Dichtewerten aufweisen - eine Kombination von Materialeigenschaften, die in der Restaurationspraxis sehr wünschenswert ist. Es wurden fortschrittliche architektonische Materialien identifiziert, die bis zu 18-mal steifer sind, wenn sie normal belastet und nicht geschert werden, was weit über die Grenzen isotroper, üblicher technischer Materialien hinausgeht, die ein Verhältnis von Normal- zu Scherbelastung von 3 nicht überschreiten können.
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