Создание синтетического костного материала на 3D-принтере

Кость представляет собой пример естественного композитного материала, состоящего из двух элементов – жесткого, но хрупкого минерала и пластичного белка, объединенных в сложную иерархическую структуру, которая меняет при переходе с микро на макроуровень свой вид.

Прочная и небольшая масса кости часто привлекают внимание исследователей, которые пытаются создать синтетические аналоги. Правда, процесс самосборки указанной структуры, который происходит в ходе последовательности электрохимических реакций, довольно сложно воспроизвести в лабораторных условиях.

В недавно опубликованной в одном журнале статье сотрудники из Массачусетского технологического института рассказали, как всего за несколько часов у них получилось превратить в физические образцы многоуровневую компьютерную модель синтетического материала. Для образования геометрических композиций, которые были оптимизированы на компьютере, из входящих в состав композита жесткого и мягкого полимеров они использовали 3D-принтер компании Stratasys.

Всего, как известно, было изготовлено три вида образцов размерами 18x13x2 см. Один из них, по словам исследователей, напоминал под микроскопом кирпичную стену с «кирпичами» из жесткого полимера черного цвета и «цементом» из мягкой разновидности голубого цвета – подобное строение считается характерным для костей и, собственно, для перламутра. Второй композит с жестким наполнителем и мягкими строительными белками имитировал минерал кальцит. Третий же имел строение, которое было специально рассчитано на компьютере для оптимального поглощения, а также распределения нагрузок, он также напоминал под микроскопом решетку алмаза, местами – чешуйчатый рисунок змеиной шкуры.

Выводы компьютерного моделирования подтвердили эксперименты: структура, схожая с костной, обеспечивает наибольшую стойкость к разрушению – она оказалась в 22 раза больше, нежели у наиболее прочного из составляющих элементов веществ.