(Politecnico di Milano) – I docenti e i ricercatori del Politecnico di Milano, insieme agli ingegneri del MIT, stanno realizzando materiali con funzionalità diversificate: attraverso la sperimentazione di polimeri puri, che agiscono come blocchi costruttivi, e la stampa 3D, i ricercatori MIT-Politecnico hanno prodotto nuovi materiali compositi che imitano le elevate caratteristiche meccaniche e lo straordinario equilibrio di resistenza e tenacità delle ossa.
I ricercatori hanno scelto l’osso come fonte di ispirazione poiché mostra una notevole combinazione di proprietà meccaniche, difficilmente riscontrabile in materiali artificiali. Ad esempio, l’osso corticale, denso e compatto, fornisce un buon sostegno strutturale, mentre l’osso trabecolare, più poroso, offre un’ottima resistenza alla compressione. Entrambi hanno la capacità di rimodellarsi e autoripararsi, sotto l’effetto di sollecitazioni meccaniche.
Combinando l’analisi del tessuto osseo ai principi dell’ingegneria, il team di ricercatori ha studiato il modo di utilizzare polimeri puri e la stampa 3D per creare nuovi materiali sintetici con una vasta gamma di proprietà ed applicazioni.
La ricerca è illustrata nell’articolo Bone Inspired Materials by Design: Toughness Amplification Observed Using 3D Printing and Testing, pubblicato sulla rivista Advanced Engineering Materials.
“La natura utilizza normalmente un numero limitato di ‘mattoncini da costruzione’ universali, come il collagene e l’idrossiapatite, ma varia la quantità, la combinazione e le tecniche di assemblaggio per realizzare dei materiali atti a svolgere funzioni uniche e diversificate”, ha spiegato la ricercatrice del Politecnico Flavia Libonati. “Nel tessuto osseo è possibile distinguere diverse sottostrutture, che si sviluppano e si adattano per rispondere a funzioni specifiche all’interno del corpo. Come ingegneri, possiamo utilizzare un’ampia varietà di materiali, appartenenti a diverse classi come metalli, ceramiche e materie plastiche e ispirarci alle strutture dei materiali biologici, per creare nuovi materiali con funzioni e proprietà molteplici”.
Uno sguardo al futuro: le applicazioni
Le conoscenze acquisite grazie a questa ricerca dovrebbero portare a un reale cambiamento di paradigma nell’ampia innovazione industriale, ha spiegato il Markus Buehler, ricercatore dell’MIT e coautore dello studio.
Con il crescente interesse verso i materiali multifunzionali, la biomimetica e le tecnologie di produzione additiva, queste conoscenze sono importanti sia per comprendere il ruolo delle sottostrutture ossee nella determinazione della resistenza alla frattura sia per fornire linee guida per la progettazione di nuovi compositi strutturali aventi un’ottima combinazione di caratteristiche meccaniche.
Replicando, infatti, le principali caratteristiche microstrutturali nel design dei nuovi materiali, è stato possibile riprodurre i fondamentali meccanismi di tenacizzazione dell’osso, incrementando la resistenza e la tenacità, analogamente a quanto avviene nel tessuto osseo, e raggiungendo un ottimo compromesso tra le due proprietà.
Tra le possibili applicazioni future e i vantaggi di questo lavoro di bio-ispirazione figurano anche un maggior risparmio sui costi dei materiali, una maggiore sostenibilità e una maggiore sicurezza, soprattutto in applicazioni in cui il cedimento improvviso è molto comune, come nei gasdotti, nelle vasche di contenimento delle centrali nucleari e in componenti protesici che presentano particolari criticità.
Riferimenti: Bone-Inspired Materials by Design: Toughness Amplification Observed Using 3D Printing and Testing; Flavia Libonati, Grace X. Gu, Zhao Qin, Laura Vergani and Markus J. Buehler; Advanced Engineering Materials
