В МИСИС инженеры разработали материала с ауксетическими свойствами. Их планируется использовать в медицине. Например, для создания аналогов хрящей или позвоночных кейджей.
Ученые МИСИС разработали метод создания биоподобных материалов с ауксетическими свойствами — веществами, которые при растяжении не становятся тоньше, а толще, и при сжатии увеличиваются. Это связано с их вогнутой структурой. Эти материалы могут быть использованы для заменителей костей и хрящей. Они абсорбируют давление, выдерживают нагрузки, а в организме могут напоминать сосуды и кости. С помощью вычислительных технологий и 3D-печати ученые могут создавать разнообразные ауксетические конструкции, а также «программировать» свойства ауксетиков под задачи.
«Свойства материалов зависят от их внутренней структуры. Например, от размера пор и толщины ребер между ними. Наш подход позволяет конструировать новые материалы из геометрически правильных ячеек. Например, регулируя остроту угла между ребрами ячеек, мы может получать требуемые характеристики», — рассказал «Известиям» соавтор разработки, инженер НОЦ биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС Владислав Львов.
Процесс создания инновационного материала включает несколько этапов: задание параметров, вычисление оптимальной формы ячейки с учетом аддитивных технологий, заполнение объема ячейками и 3D-печать.
Эксперименты показали, что ячейки с углами менее 90 градусов (ауксетические материалы) обладают большей прочностью на сжатие и усталостной прочностью, чем ячейки с углом наклона более 90 градусов (сотовые структуры). Ученые видят перспективу в создании природоподобных материалов, включая 3D-печать позвоночных кейджей — имплантатов для замены межпозвоночных дисков. Кейджи амортизируют и гибко поддерживают позвоночник при нагрузках. Это особенно важно при грыже диска или старении. Кейджи из металлов или полимеров часто применяются, но их свойства часто не соответствуют костной ткани. Использование ауксетиков, материалов, имитирующих кость, может решить эту проблему. Эксперименты с ауксетическими позвоночными кейджами из титанового сплава показали высокую прочность и выносливость.
Применение ауксетических материалов возродилось благодаря современным аддитивным и вычислительным методам. Они могут использоваться в медицине для создания персонализированных медицинских фиксаторов, а также в космической и инженерной областях.
Эксперты видят потенциал ауксетиков в обшивке космических аппаратов, сохранении техники от микрометеоритов и создании инопланетных станций. В медицине они могут быть использованы для перевязочных материалов с пропорциональным распределением лекарств. Исследования в этой области проводятся в рамках программы «Приоритет-2030», и промышленное производство ауксетических изделий планируется в 2025 году.
Фото: Chuttersnap / Unsplash.com
