Die Entwicklung von Sehnen- und Bändergewebe aus biokompatiblen Materialien stellt chemische, biologische und mechanische Herausforderungen dar. Schwerwiegende Verletzungen, die Sehnen- und Bandreparaturen erfordern, sind weit verbreitet. Effektive Restaurationsmaterialien sind notwendig, um die Funktionalität nach einer Reparatur wiederherzustellen. Nikos Karathanasopoulos und Oraib Al-Ketan von der New York University am Campus Abu Dhabi arbeiteten daran, Metamaterialien zur Wiederherstellung von Gewebe und Bändern zu finden, die die Mechanik von nativem Gewebe von Natur aus nachahmen können. Dazu mussten sie Metamaterialarchitekturen identifizieren, die bei normaler Belastung stark, bei Scherbelastung weich sind und sich wesentlich 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 Einheitszellen-Metamaterialarchitekturen zu testen. Die mechanischen Eigenschaften der Architekturen wurden sowohl mittels Scher- als auch uniaxialen Kompressionstests geprüft.
Mithilfe des microArch S240 von Boston Micro Fabrication konnten sie Metamaterial-Architekturen in Größenordnungen fertigen, die Merkmale im Zehntel-µm-Bereich und Gesamtlängen der Proben im Millimeterbereich erforderten. Nach dem Testen mehrerer Drucker stellten sie fest, dass der S240 der 3D-Drucker war, der die Proben mit der höchstmöglichen Genauigkeit in den erforderlichen Maßstäben herstellen konnte. Die gedruckten Teile umfassten diagonale Streben mit Durchmessern im Bereich von 50 µm.
Experimentelle Leistung
Die 3D-gedruckten Proben zeigten eine sehr gute Reproduzierbarkeit hinsichtlich der Robustheit des Systems für die untersuchten Metamaterialarchitekturen in den angegebenen Maßstäben. Die Abmessungen der gedruckten Proben lagen im Bereich der in nativen Geweben beobachteten Dimensionen.
Metamaterial-Designs, die eine erhebliche Normalsteifigkeit entlang der primären Gewebebelastungsrichtung bei geringem Scherwiderstand und Poisson-Zahlen, die deutlich über eins liegen, ermöglichen, wurden für moderate relative Dichtewerte identifiziert – eine Kombination von Materialeigenschaften, die in der Restaurierungspraxis sehr wünschenswert ist. Es wurden fortschrittliche strukturierte Materialien identifiziert, die bei normaler Belastung bis zu 18-mal steifer sind als bei Scherbelastung, was weit über die Grenzen isotroper, gängiger technischer Materialien hinausgeht, die ein Verhältnis von Normal- zu Scherbelastung von 3 nicht überschreiten können.
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