Eine Forschergruppe der Universität Princeton hat ein von Knochen und anderen natürlichen Materialien inspiriertes starkes Leichtbaumaterial für Flugzeuge, Gebäude und Knochenimplantate entwickelt.  Das Material ist ähnlich porös wie Knochen, Holz und andere natürliche Materialien. Es ist zugleich leichter als herkömmliche in der Industrie eingesetzten Materialien und kann strategisch eingesetzt werden, um in Bereichen mit hoher Beanspruchung für mehr Steifigkeit zu sorgen.

Viele natürliche Materialien, darunter Knochen, Tierhörner, Holz und Sanddollarskelette, sind voller Löcher. Die leeren Räume machen die Materialien leicht, und in einigen Fällen können Körperflüssigkeiten durch die Poren fließen. In Knochen ermöglichen diese Hohlräume einen Umbauprozess, durch den der Knochen je nach körperlicher Beanspruchung mehr oder weniger dicht wird.

In einer neuen Studie ahmten die Princeton-Forscher natürliche Materialien nach, indem sie Mikrostrukturen mit Löchern (spinodale Strukturen) in verschiedenen Größen, Formen und Ausrichtungen entwarfen. Die neuen Objekte werden als architektonische Materialien bezeichnet, die je nach dem Verhältnis von Material und Geometrie eine anpassbare Leistung aufweisen. Die Löcher können die Form von Kugeln (wie in Sanddollarskeletten), Diamanten (Knochen), Säulen (Holz) oder Linsen (Horn) haben.

Die Forscher konnten dem Material durch Variation der Form Steifigkeit in verschiedenen Richtungen verleihen. Sie kontrollierten die Dichte des Materials, indem sie die Größe der Löcher veränderten, und änderten die Ausrichtung der Löcher innerhalb eines Objekts, um die Steifigkeit in belasteten Regionen zu erhöhen.

Um potenzielle Einsatzmöglichkeiten zu demonstrieren, haben die Forscher ein Gesichtsimplantat entworfen und in 3D gedruckt, wie es beispielsweise bei schweren Gesichtsverletzungen nach einem Autounfall zum Einsatz kommt. Derzeit verwenden Chirurgen Kunststoff oder Titan, um poröse Implantate herzustellen, die das Nachwachsen von Knochen durch die Löcher ermöglichen, aber diese Implantate lassen sich nicht so fein abstimmen, wie es mit spinodalen Architekturen möglich ist. Die Forscher kombinierten Abschnitte mit säulen- und linsenförmigen Löchern, um ein Implantat zu schaffen, das steif genug ist, um den Kaukräften standzuhalten, und das die richtige Lochgröße hat, um das Knochenwachstum und die Heilung zu fördern. Der Prototyp des Implantats wurde aus einem Photopolymerharz hergestellt, könnte aber für den künftigen Einsatz bei Patienten auch mit biokompatiblen Materialien im 3D-Druckverfahren hergestellt werden.

Auch eine stabile und zugleich leichte Triebwerkshalterung für Flugzeuge konstruierten die Forscher auf Basis spinodaler Mikrostrukturen.

„Wir verfügen mit den spinodalen Mikrostrukturen über eine sehr leistungsfähige Technik, die Materialarchitekturen in verschiedenen Maßstäben optimiert und mit der additiven Fertigung kombiniert. Die Technik ist für ein breites Spektrum von Anwendungen geeignet, da sie skalierbar ist. Sie kann sowohl in der Nano- und Mikrotechnologie als auch im Meso- und Makromaßstab eingesetzt werden.“
Glaucio Paulino, Professor für Ingenieurwissenschaften an der Universität Princeton und leitender Forscher des Projekts.

Bild oben: Die mikrospinodalen Objekte, die Knochen, Holz und andere natürliche Materialien imitieren sollen, sind leichter als herkömmliche in der Industrie eingesetzten Materialien und können strategisch eingesetzt werden, um in Bereichen mit hoher Beanspruchung für mehr Steifigkeit zu sorgen. (Quelle: Paulino et al)

Quelle und weiter Infos: Pressemitteilung, newatlas.com