L’osso trabecolare, noto anche come osso spugnoso o spongioso, è uno dei due tipi di osso trovato nel corpo umano. Si trova alla fine delle ossa lunghe, nelle ossa del bacino, nelle costole, nel cranio e nelle vertebre. L’osso trabecolare è una delle molte microstrutture con proprietà spazialmente variabili presenti in natura. In un documento intitolato ” Compatibilità nell’ottimizzazione microstrutturale per la produzione additiva “, un gruppo di ricercatori sottolinea che queste microstrutture possono ora essere create con la produzione additiva. Una sfida nella progettazione computazionale di tali materiali è garantire la compatibilità tra microstrutture adiacenti. Il lavoro dei ricercatori mira a trovare la connettività ottimale tra microstrutture ottimizzate per topologia.
“Dato che l’ottimalità della connettività può essere valutata dalle proprietà fisiche risultanti degli assiemi, noi proponiamo di considerare l’assemblaggio di celle adiacenti insieme all’ottimizzazione di singole celle”, spiegano i ricercatori. “In particolare, il nostro metodo ottimizza simultaneamente le proprietà fisiche delle singole celle e quelle delle coppie vicine, per assicurare la connettività del materiale e le proprietà fisiche che variano in modo fluido. Questa idea è corroborata dalla progettazione di microstrutture graduate con moduli massivi massimizzati in diverse frazioni di volume. Le microstrutture graduate sono impiegate nella progettazione di un impianto, che è fabbricato mediante produzione additiva. “
Durante la progettazione di impianti ortopedici, i ricercatori sottolineano, “potrebbe essere desiderabile avere una transizione continua da microstrutture più dense nella regione centrale a microstrutture altamente porose all’interfaccia osso-impianto.” Questa gradazione funzionale promuove la crescita ossea nell’impianto osseo interfaccia, continuano, mantenendo l’integrità strutturale e aumentando le proprietà meccaniche nelle aree in cui l’ingrowth osseo non è rilevante.
I ricercatori hanno presentato un metodo per garantire la compatibilità meccanica tra le microstrutture ottimizzate per topologia.
“I nostri risultati mostrano che i moduli bulk di singole celle raggiungono i limiti teorici previsti dal modello Hashin-Shtrikman, il che significa che l’ottimizzazione della compatibilità non compromette le prestazioni delle singole celle”, affermano. “Inoltre, i moduli di massa delle coppie vicine sono anche d’accordo con i limiti di Hashin-Shtrikman.”
Il metodo è stato esteso per consentire la massima scala di lunghezza e isotropia nelle microstrutture. I ricercatori hanno dimostrato l’efficacia del loro metodo proposto in una serie di progetti, compresi materiali classificati in modo funzionale e strutture multiscala. Hanno anche dimostrato che le microstrutture ottimizzate possono essere fabbricate con tecnologia di produzione additiva. Ciò ha implicazioni per un numero di applicazioni, inclusi impianti ortopedici, che la stampa 3D può ottimizzare per una migliore crescita del nuovo tessuto osseo.
“Come lavoro futuro, siamo particolarmente interessati ai seguenti aspetti”, concludono i ricercatori. “In primo luogo, questo metodo è direttamente applicabile ai problemi di progettazione 3D. Per alleviare l’onere computazionale in 3D, è possibile utilizzare il framework di ottimizzazione della topologia basata su GPU. In secondo luogo, mentre abbiamo applicato la formulazione composta per massimizzare il modulo di massa, la sua applicabilità ad altri problemi fisici come la conduttività deve essere dimostrata. “
Gli autori del documento includono Eric Garner, Helena MA Kulken, Charlie CL Wang, Amir A. Zadpoor e Jun Wu.
