3Dプリントされた骨と腱の接続イミテーション

December, 22, 2023, Delft--TU Delftの研究者によると、ほとんどの人は、ラップトップの充電器がフレキシブルケーブルがソリッドアダプターと出会うところで壊れることに共感できる。これは、硬質材料と軟質材料を効果的に接合することがいかに難しいかを示す一例にすぎない。デルフト工科大学(TU Delft)の研究者は、独自の3Dプリンティングプロセスを使用して、骨と腱の接続に関する自然の設計に驚くほど近いハイブリッド多材料インターフェースを作成した。Nature Communications誌に最近掲載されたこの研究成果は、多くのアプリケーションの可能性を秘めている。

骨と腱の硬さには大きな違いがあるが、人体におけるそれらの交差点は決して失敗しない。この骨と腱の接続が、機械・海事・材料工学部(3mE)の研究者チームを刺激し、人工材料の硬質界面と軟質界面を最適化する方法を探求することになった。

デザインのインスピレーション
生体材料/組織バイオメカニクスの教授Amir Zadpoorによると、接続された2つの材料間にミスマッチがある場合、応力が集中する。つまり、機械的ストレスが接続点に伝わり、通常は柔らかい材料が破損する。自然界で見られることの1つは、界面での特性の漸進的な変化である。
「硬い素材が突然柔らかい素材になるわけではない。徐々に変化し、ストレスの集中が緩和される。このことを念頭に置いて、研究者たちは様々な形状とマルチマテリアルの3Dプリンティング技術を使用して、ハード界面とソフト界面の接触面積を増やし、自然のデザインを模倣した」と同教授は説明している。

また、柔らかい材料が破損するまでに耐えられる力は、硬い材料よりも低いという設計上の考慮事項もある。
「界面を柔らかい材料と同じ強度にすることが重要である。なぜなら、それが強くなると、柔らかい材料はいずれにせよ機能しなくなり、それが理論上の限界だからである」と、論文の筆頭著者、Dr. Mauricio Cruz Saldivarは説明している。
研究チームは、対照群と比較して界面の靭性値を50%向上させることができた。研究チームによると、理論的に可能な限界に近づくことが、この研究の主な貢献の1つ。とは言え、この研究は、生体にインスパイアされたソフトハード界面の機械的性能を向上させるための一連の設計ガイドラインももたらし、その原理は普遍的に適用可能である。

製品全体を一度に作製
また、チームが開発した技術により、製品全体を一度に作ることができる。複数の材料を持つ製品は一般的に接着剤で接着されるため、これは重要である。部品は、自動車や航空宇宙用途のように組み立てられたり、機械的に接続されたりする場合がある。
「しかし、われわれがやろうとしていることは、余分なステップを取り除き、全てを一度に行うことだ。これにより、より新奇な素材、たとえば、より強い素材よりも減衰抵抗の高い素材を組み合わせることができる」と、Zjenja Doubrovski助教授は話している。また、この組み合わせにより、より広い範囲の適用が可能になる。

将来のアプリケーション
この技術でできることはたくさんある。潜在的なアプリケーションには、医療機器、ソフトロボティクス、フレキシブルデバイスなどがある。しかし、研究チームは、インプラントを周囲の軟部組織に接続するなどの処置を可能にするために、生きた細胞とのインタフェースを作ることも目指している。
「いずれ、骨と骨と筋肉のつながりを再生したいと考えている。つまり、生きた細胞をこの界面に統合することを意味し、構造に何層もの複雑さが加わることになる」と、Mohammad J. Mirzaaliは話している。
最終的に、この研究の結果は、将来のさまざまな研究への扉を大きく開いたままにしている。
(詳細は、https://www.tudelft.nl/)