Исследователи из инженерной школы Брауна Университета Райса показали, что керамические конструкции, напечатанные на 3D-принтере, можно усилить, чтобы они стали в 4,5 раза более устойчивыми к разрушению, просто покрывая их тонкой полимерной оболочкой.

Рассматриваемые структуры включают шварциты, особые решетки с «отрицательными гауссовыми кривыми», которые придают им чрезвычайно высокое отношение прочности к весу. До сих пор их было практически невозможно изготовить из-за их сложности, но с появлением 3D-печати команда считает, что эти конструкции могут найти широкое применение во всем: от зданий и костных имплантатов до несущих протезов.

Мухаммад Рахман, специалист по материалам из Университета Райса и соавтор исследования, добавил: «Я почти уверен, что если мы сможем оптимизировать эти структуры топологически, они также покажут хорошие перспективы для использования в качестве биокаффолдов».

Керамика и проблема хрупкости

Керамические материалы часто характеризуются термостойкостью и химической стойкостью, превосходной прочностью и твердостью, а также низкой проводимостью. Они также обладают удивительной биосовместимостью, что делает их отличным выбором для биомедицинских применений, таких как заменители костей, детали зубов и даже каркасы тканевой инженерии. К сожалению, керамика также может быть довольно хрупкой. Это означает, что она склонна к растрескиванию и растрескиванию при высоких сжимающих нагрузках, что ограничивает использование в тяжелых конструкционных приложениях.

В природе структуры на основе твердой керамики решают проблему хрупкости путем введения в смесь мягких органических материалов. Мы видим это в раковинах моллюсков, которые состоят из тонких слоистых пластинок арагонита, напоминающих кирпичи (95%), связанные мягкими биополимерами (5%). Мы также видим это в костях многих животных, где твердые минеральные нанокристаллы расположены рядом с фибриллами коллагена, образуя более прочные матрицы.

Керамические шварциты с полимерным покрытием

Черпая вдохновение в проверенной природой работе, команда Райса напечатала керамические шварциты на 3D-принтере в системе Formlabs SLA и покрыла их тонким гибким эпоксидным полимером перед дальнейшим отверждением деталей в УФ-свете.

В контрольной группе без покрытия конструкции оказались чрезвычайно хрупкими и, как и ожидалось, разрушались во время испытаний на падение и гидравлических испытаний на сжатие. В образцах с покрытием все, что требовалось, - это полимерное покрытие толщиной 100 микрон, чтобы обеспечить деталям до 4,5 раз большую устойчивость к катастрофическим трещинам. Даже когда их толкнули до точки разрушения, конструкции с покрытием не развалились полностью, а вместо этого рассыпались и сплющивались.

Кроме того, по сравнению с твердыми керамическими материалами с покрытием, пористые решетки шварцита, напечатанные на 3D-принтере, оказались более жесткими. Это было связано с механизмом, с помощью которого полимерные покрытия проникают в пористые структуры, «заполняя» поры для повышения плотности и механической прочности.

«Архитектура определенно играет определенную роль», - объясняет Сейед Мохаммад Саджади, ведущий автор исследования. «Мы увидели, что если мы покрываем твердую структуру, эффект полимера не был таким эффективным, как у шварцита».

Более подробную информацию об исследовании можно найти в статье под названием « Устойчивая к повреждениям керамика, напечатанная на 3D-принтере с помощью конформного покрытия ». Соавторами его являются Мухаммад Рахман, Сейед Мохаммад Саджади и др.

Керамические шварциты без покрытия и с покрытием под гидравлическим прессом. Фотографии предоставлены Университетом Райса.

Источник