西布利机械和航空航天工程学院以及梅尼格生物医学工程学院的副教授克里斯托弗·j·埃尔南德斯解释了如何加强骨骼内部结构以承受循环载荷的反复磨损和撕裂。资料来源:约翰·曼森/康奈尔大学

 

康奈尔大学的研究人员有了一项新发现，那就是看似微不足道的骨骼内部结构可以通过加强来抵御反复的磨损，这一发现可以帮助治疗骨质疏松症患者。它还可能为航空航天工业带来更耐用、更轻的材料。

 

该团队的论文《骨骼激发的微架构实现增强疲劳寿命》于2019年11月18日发表在《美国国家科学院院刊》上。天富登录现场

 

几十年来，研究骨质疏松症的科学家们一直使用x射线成像来分析骨骼的结构，并精确指出骨骼的强弱点。密度通常是与骨骼强度有关的主要因素，在评估骨骼强度时，大多数研究人员会看一块骨头一次能承受多少负荷。

 

但由资深作者、西布利机械与航空航天工程学院(Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering)和梅尼格生物医学工程学院(Meinig School of Biomedical Engineering)副教授克里斯托弗·j·埃尔南德斯(Christopher J. Hernandez)领导的研究小组对长期疲劳寿命，即骨头在断裂前能承受多少循环载荷感兴趣。

 

由克里斯托弗·j·埃尔南德斯(Christopher J. Hernandez)领导的康奈尔大学(Cornell)研究人员利用3D打印机制造了一种由甲基丙烯酸聚氨酯聚合物制成的骨骼材料，然后测试了它的耐久性。研究人员通过加强内部类似杆的支撑，将材料的疲劳寿命提高了100倍。资料来源:约翰·曼森/康奈尔大学

 

“了解材料疲劳性能的最好方法是考虑一下你车里的某个部件经常坏，所以你必须把它拿到商店去修理。为什么会断呢?它显然是足够坚固的，因为它可以工作几个月，几年，都很好。但在循环、循环、再循环，几千万次循环之后，它就坏了。”“我们对材料的这种特性已经了解了150年，它嵌入到我们做的每件事的设计中。但对骨头进行这种研究的人并不多。”

 

骨骼的内部结构由垂直的板状支柱组成，当负荷过重时，它决定了骨骼的强度。骨头上也有水平的杆状支柱，对强度影响很小，本质上只是“粉饰门面”。埃尔南德斯和他的团队怀疑建筑的其他方面也很重要。通过使用新的计算机软件，该研究的第一作者阿什利·托雷斯(Ashley Torres, 15年硕士，18年博士，19年MBA)能够对骨骼样本进行更深入的分析，并发现，当骨骼承受长期磨损时，水平的杆状支撑对于延长骨骼的疲劳寿命至关重要。

 

“如果你只给骨头装一次负荷，那就取决于它的密度，而密度主要是由板状支柱决定的，”埃尔南德斯说，他也是韦尔康奈尔医学院附属的特殊外科医院的助理科学家。“但如果你想想一个东西能承受多少循环的低强度载荷，这些小的侧向树枝支柱才是真正重要的。”当人们变老时，他们首先失去这些水平支撑，增加了骨头在多次循环载荷作用下断裂的可能性。”

 

该团队使用3D打印机制造了一种由甲基丙烯酸聚氨酯聚合物制成的骨骼材料。研究人员改变了棒的厚度，能够将材料的疲劳寿命提高100倍。天富登录现场

 

埃尔南德斯预计，他的团队开发的增强微结构晶格可以应用到几乎任何设备中，而且对航空航天工业尤其有利，因为在航空航天中，超轻材料需要承受巨大的反复应变。

 

埃尔南德斯说:“飞机遭遇的每阵风都会造成一个循环的载荷，所以飞机机翼在每次飞行中都会被加载数千次。”“如果你想制造一种耐用的设备或一辆轻便耐用的汽车，那么在部件损坏之前需要多少次循环加载就很重要了。”我们在这项研究中推导出的数学关系，让设计这些格子结构的人能够平衡在单一荷载下对刚度和强度的需求，以及承受很多很多低水平荷载循环的需求。”