TU Delft ontwikkelt 3D print proces voor hard-zachte materiaalovergangen

Met een uniek 3D-printproces hebben onderzoekers van de TU Delft hybride verbindingen van meerdere materialen gemaakt die opmerkelijk dicht bij het natuurlijke ontwerp van bot-peesverbindingen komen. De taaiheidwaarde van de verbinding ligt 50% hoger. De mogelijke toepassingen zijn legio. Het team zelf wil onder andere verbindingen maken met levende cellen om zo implantaten te verbinden met omliggend zacht weefsel.

---

De resultaten van de Delftse onderzoekers onder leiding van hoogleraar Admir Zadpoor zijn verschenen in Nature Communication. Het 3D printproces dat ze ontwikkeld hebben, heeft talloze potentiële toepassingen, onder andere in medische hulpmiddelen, soft robotics en flexibele apparaten.

Inspiratie uit menselijk lichaam

Ondanks het grote verschil in hardheid tussen botten en pezen, gaat deze verbinding in het menselijk lichaam normaal nooit kapot. Het is deze bot-peesverbinding die het team van onderzoekers van de faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalswetenschappen (3mE) inspireerde om de hard-zacht-overgang van door de mens gemaakte materialen te optimaliseren. Want als er een mismatch tussen de materialen, is, ontstaan er spanningen en gaat de verbinding stuk.

Geleidelijke verandering

Een van de dingen die je in de natuur ziet is een geleidelijke verandering in eigenschappen. “Een hard materiaal wordt niet plotseling een zacht materiaal”, zegt hoogleraar Biomaterialen en Weefselbiomechanica, Amir Zadpoor. “Het verandert geleidelijk en dat vlakt de spanningsconcentratie af.” Met dat in gedachten gebruikten de onderzoekers verschillende configuraties en een multi-materiaal 3D-printtechniek om het contactoppervlak tussen harde en zachte materialen te vergroten en zo het ontwerp uit de natuur na te bootsen. Een andere overweging is dat de kracht die een zacht materiaal kan verdragen voordat het bezwijkt, lager is dan die van een hard materiaal. “Het is alleen relevant om de overgang even sterk te maken als het zachte materiaal, want als hij sterker is, zal het zachte materiaal bezwijken”, zegt  Mauricio Cruz Saldivar, de eerste auteur van het manuscript.

Taaiheidswaarde 50% hoger

De onderzoekers zijn erin geslaagd de taaiheidswaarde van de verbindingen met 50% te verhogen in vergelijking met de controlegroep. Het benaderen van de grens van wat theoretisch mogelijk is, is volgens het team een van de belangrijkste bijdragen van dit onderzoek. Maar het onderzoek leidde ook tot ontwerprichtlijnen voor het verbeteren van de mechanische prestaties van zacht-harde verbindingen, en deze principes zijn universeel toepasbaar.

Legio toepassingen denkbaar

Dankzij de ontwikkeling uit Delft kan men meer producten in één keer 3D printen, waar deze nu vaak bestaan uit met elkaar verlijmde of mechanisch verbonden componenten. Hierdoor kan men nu ook sterk verschillende materialen combineren. Potentiële toepassingen zijn onder andere medische hulpmiddelen, soft robotics en flexibele apparaten. Maar het team wil ook onderzoeken hoe ze verbindingen kunnen maken met levende cellen om zo bijvoorbeeld implantaten te verbinden met het omliggende zachte weefsel. “Uiteindelijk willen we bot en de verbinding tussen bot en spieren regenereren”, zegt universitair docent Mohammad J. Mirzaali. “Dat zou betekenen dat we levende cellen moeten integreren in deze verbinding, wat de complexiteit van de constructie verhoogt.”