TU Delft ontwerpt metamaterialen die de verbinding tussen bot en pees nabootsen

Een speciaal ontworpen overgangscel maakt het mogelijk om twee verschillende typen metamaterialen sterk met elkaar te verbinden. Onderzoekers van TU Delft hebben hiervoor een algoritme ontwikkeld dat plaatvormige en staafvormige structuren op elkaar afstemt. De methode bootst de compacte overgang tussen bot en pees na en kan op termijn bijdragen aan betere implantaten en weefselconstructen.

Bot is hard en stijf, terwijl pezen flexibel zijn. Toch sluiten beide weefseltypen in het menselijk lichaam op elkaar aan via een zeer korte overgangszone die bestand is tegen mechanische belasting. Die natuurlijke constructie vormt een inspiratiebron voor ingenieurs die harde en zachte materialen betrouwbaar met elkaar willen verbinden.

Onderzoekers van de faculteit Mechanical Engineering van TU Delft hebben een nieuwe ontwerpmethode ontwikkeld om dit principe na te bootsen. Met een algoritme combineren zij twee verschillende typen metamaterialen: plaatvormige en staafvormige structuren. De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Communications.

Twee typen metamaterialen combineren

Metamaterialen ontlenen hun mechanische eigenschappen voor een belangrijk deel aan hun interne architectuur. Bij plaatvormige metamaterialen bestaan de structuren uit doorlopende oppervlakken. Staafvormige metamaterialen zijn opgebouwd uit onderling verbonden balkjes.

Beide typen hebben verschillende eigenschappen en kunnen daardoor verschillende functies vervullen. Plaatvormige structuren zijn geschikt voor stijve constructies en de integratie van botcellen, terwijl staafvormige structuren eigenschappen kunnen nabootsen die beter aansluiten bij zachter weefsel.

Het rechtstreeks verbinden van deze architecturen kan echter zwakke plekken opleveren. Een geleidelijke overgang kan dat probleem verminderen, maar vraagt traditioneel om een relatief lange overgangszone. Dat is niet ideaal wanneer de compacte verbinding tussen bot en pees moet worden nagebootst.

Algoritme ontwerpt een compacte overgang

Het Delftse onderzoeksteam ontwikkelde een algoritme dat bepaalt welke plaat- en staafvormige structuren op elkaar aansluiten en hoe ze optimaal kunnen worden verbonden. De methode stemt de geometrie van beide architecturen op elkaar af en voegt een speciale overgangscel toe die kenmerken van beide typen combineert.

Zo ontstaat een korte, geleidelijke overgang in plaats van een abrupte grens tussen de twee structuren.

De onderzoekers hebben verschillende ontwerpen 3D-geprint en mechanisch belast. De experimenten bevestigden dat de berekende overgangsstructuren een sterke en betrouwbare verbinding tussen beide typen metamaterialen kunnen vormen.

Voortbouwen op eerder onderzoek

Het nieuwe onderzoek sluit aan bij eerder werk van TU Delft naar het nabootsen van bot-peesverbindingen. In 2023 onderzochten Delftse wetenschappers hoe harde en zachte materialen met behulp van multi-materiaal-3D-printen beter op elkaar kunnen aansluiten.

In dat eerdere onderzoek verhoogden de onderzoekers de taaiheid van de verbindingen met 50 procent ten opzichte van een controlegroep. Daarbij lag de nadruk op materiaalcombinaties en ontwerpprincipes waarmee spanningsconcentraties bij de overgang tussen harde en zachte materialen kunnen worden verminderd.

Het nieuwe onderzoek richt zich op een andere uitdaging: het verbinden van twee verschillende architecturen van metamaterialen met behoud van een korte overgangszone. De onderzoeken delen dus hetzelfde biologische uitgangspunt, maar gebruiken verschillende ontwerpbenaderingen voor verwante mechanische problemen.

Vervolgonderzoek naar levende cellen

De onderzoekers willen nu bestuderen hoe levende cellen reageren op de gecombineerde structuren. Hoewel de reactie van cellen op plaatvormige en staafvormige metamaterialen afzonderlijk al eerder is onderzocht, is nog weinig bekend over hun gedrag op een combinatie van beide architecturen.

Door cellen op de nieuwe structuren te kweken, willen de onderzoekers beter begrijpen hoe de geometrie de celhechting, celgroei en celdifferentiatie beïnvloedt. Uiteindelijk willen zij onderzoeken of de overgang tussen verschillende architecturen kan helpen om de vorming van verschillende typen weefsel te sturen.

Dat kan op termijn relevant zijn voor de ontwikkeling van implantaten en constructies voor weefseltechnologie. De mechanische verbinding is in het huidige onderzoek getest; de biologische werking van de gecombineerde structuren moet nog nader worden onderzocht.

De nieuwe ontwerpmethode biedt daarmee een basis voor vervolgonderzoek naar metamaterialen die niet alleen mechanisch aansluiten bij biologische structuren, maar mogelijk ook de gewenste biologische reacties kunnen ondersteunen.