Un nuovo progetto biomimetico di una struttura vascolare 3D per l’auto-riparazione in materiali cementizi usando la legge di Murray

I ricercatori imitano le strutture vascolari naturali per stampare in 3D nuovi sistemi per l’auto-guarigione nel cemento

Ricercatori britannici del Dipartimento di Ingegneria dell’Università di Cambridge stanno studiando nuovi sistemi per materiali da costruzione, delineando i loro risultati nel recente pubblicato ” Un nuovo progetto biomimetico di una struttura vascolare 3D per l’auto-guarigione in materiali cementizi usando la legge di Murray” .

Alcuni dei più interessanti scoperte scientifiche sono fondate in natura come i ricercatori sono ispirati da una serie di caratteristiche e differenti soprattutto in 3D e 4D stampa-da collezioni di calzature per l’inchiostro programmabile a polimeri liquidi riciclabili . Questo studio è unico, tuttavia, poiché gli autori lavorano per sviluppare un sistema per la guarigione dei difetti nel cemento. Il cracking è un problema in corso con l’uso di materiali a base di cemento e vi è una “limitata capacità intrinseca” per curare tali malattie. I sistemi di auto-guarigione sono un argomento di ricerca in corso in quanto il cracking è così prevalente in un materiale così comunemente usato.

Mentre la maggior parte di noi identifica la parola vascolare con il corpo umano, alla fine si riferisce a una nave che consente il trasporto di materiali. Sebbene esistano numerosi altri metodi tradizionali per la creazione di reti vascolari correlate all’uso con il cemento, in questo studio i ricercatori si rendono conto che la “massima copertura del volume” può essere raggiunta con canali a griglia 3D.

“La rete connessa densa risultante fornisce ridondanza per blocco e aumentare la copertura della nave”, affermano gli autori. “Tuttavia, l’aumento della densità del vaso può influire sulle proprietà meccaniche del campione e il blocco diventa la preoccupazione principale nei tunnel di curvatura rettangolari.”

“Per ridurre al minimo il flusso turbolento alle giunzioni, massimizzando al contempo il volume, ricercatori come Justin et al. [ 14 ] ha studiato una struttura di un vaso biomimetico in idrogel cellularizzato mediante la tecnica di stampa a getto d’inchiostro secondo la legge di Murray [per il trasferimento del volume ematico circolatorio]. “

Esempi di sistemi vascolari cementizi 1D (A – C) e 2D (D – F) studiati (A) Tubi di vetro 1D rivestiti con cera [8], (B) con filo spiralato protettivo rivestito con strato di malta di spessore 3,5 mm [11 ], (C) esemplari con tubi singoli collegati all’ambiente esterno [9], (D) distribuzione ABS stampata in 3D con tubi singoli inorganici fosfato di cemento (IPC) [16], (E) layout di una rete 2D stampata da PLA e ABS [7], (F) Rete in poliuretano griglia 2D con connessioni PLA [13], (G) Rete 3D individuale fabbricata da PLA [15].

La rete progettata in questo studio imita la natura nel suo livello di distribuzione autorigenerante. Il team di ricerca ha stampato in 3D il design utilizzando PLA su Ultimaker , quindi ha analizzato i materiali e li ha confrontati con le tradizionali reti 1D e 2D. Alla fine, sono stati in grado di dimostrare che la rete era efficace nel fornire silicato di sodio, fungendo da agente curativo, con tutte le crepe originali “guarite” dopo 28 giorni. I ricercatori hanno utilizzato quanto segue per valutare le capacità di auto-guarigione di ciascun sistema:
Recupero nelle proprietà meccaniche
Riduzione della stupidità
Chiusura della bocca rotta
Volume guarito
“Il disegno biomimetico che obbedisce alla legge di Murray ha un grande potenziale futuro per la fornitura di agenti curativi per l’autoguarigione e le indagini potrebbero essere estese ad altri agenti curativi”, hanno affermato i ricercatori.

Uno schema del setup sperimentale per la flessione in quattro punti di campioni con le diverse strutture vascolari interne (a) sistema 1D, (b) sistema 2D e (c) sistema 3D.

Le reti sono state stampate in due parti separate e quindi saldate insieme.

Una progettazione biomimetica della rete vascolare 3D; (A) modello progettato secondo la legge di Murray; (B) parametri considerati nel modello; (C) diagramma fluidodinamico adattato in questo modello.

Progettazione del modello di strutture 1D / 2D / 3D (A, B, C) e vista frontale delle strutture prodotte finali (D, E, F).

Le strutture vascolari possedevano sia una fragile risposta fratturale che il legame interfacciale necessario per provocare un innesco meccanico.

“Un recupero delle proprietà meccaniche del 20% circa per le strutture 1D e 2D e del 34% per i campioni di reti vascolari 3D è stato attribuito all’autoguarigione. Inoltre, l’inclusione della rete vascolare 1D, 2D e 3D ha portato a circa il 25, il 69 e il 77% di riduzione della capacità di assorbimento rispetto ai valori dei campioni di controllo incrinati. Una maggiore quantità di guarigione delle crepe è stata osservata nel sistema di cemento vascolare 2D rispetto al sistema 1D, e quasi tutte le crepe sono state ridotte nel sistema di cemento vascolare 3D ”, hanno concluso gli autori.

“Attraverso SEM-EDX, Na2HCO3 e gel di silice sono stati trovati come prodotti curativi poiché il silicato di sodio è stato esposto all’aria e ha reagito con CO2 e vapore acqueo. Il volume di crack guarito è stato studiato mediante scansione TC e indicato che la guarigione parziale potrebbe essere drasticamente ridotta applicando una struttura vascolare 3D, che contiene più tubi figlie collegati e consente un’ampia copertura del tubo. Il miglioramento sistematico delle prestazioni di guarigione dei campioni di rete vascolare 3D è stato attribuito al design che obbedisce alla legge di Murray e quindi allargando la copertura della distribuzione degli agenti curativi riducendo al contempo l’energia necessaria per il pompaggio. “

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