Nowoczesne metamateriały jako lepsze i trwalsze materiały kościozastępcze. Politechnika Białostocka otrzymała środki NCN na badania ich właściwości mechanicznych

Metamateriały stosuje się w medycynie oraz w innych branżach, takich jak przemysł motoryzacyjny czy lotniczy.

Zakres badań obejmuje numeryczne modelowanie oraz eksperymentalną analizę metamateriałów wytwarzanych w technologii druku 3D ze stopów tytanu pod kątem ich właściwości mechanicznych i potencjalnych zastosowań w biomedycynie.

– Projektujemy je tak, aby miały określoną sztywność i wytrzymałość, potrzebną np. do współpracy z tkanką kostną – wyjaśnia dr inż. Michał Doroszko z Katedry Mechaniki i Informatyki Stosowanej Wydziału Mechanicznego Politechniki Białostockiej. Dr inż. Doroszko zajmuje się badaniami nad nową klasą materiałów, których właściwości zależą od kształtu, a nie tylko od składu chemicznego.

W przypadku badań prowadzonych w projekcie szczególnie istotna jest możliwość regulowania sztywności materiału tak, aby była ona zbliżona do sztywności ludzkiej kości. Ma to ogromne znaczenie w kontekście implantów, które po wszczepieniu powinny współpracować z kością, a nie stanowić dla niej elementu obcego.

– Kluczową rolę w naszych badaniach odgrywa technologia druku 3D. To właśnie możliwości, jakie daje addytywne, czyli warstwa po warstwie, wytwarzanie metali, umożliwiły rozwój i badanie tego typu metamateriałów – opowiada dr inż. Doroszko. –  W projekcie wykorzystywana jest technologia LPBF (Laser Powder Bed Fusion), umożliwiająca precyzyjne wytwarzanie metalowych elementów metodą druku 3D.

Badane materiały nie mają ciągłej struktury, zawierają puste przestrzenie i zaprojektowane kanały. Taka budowa umożliwia przerastanie materiału przez tkankę kostną, co w dłuższej perspektywie prowadzi do trwałego połączenia implantu z kością. W tym sensie badania nie dotyczą gotowych implantów jako wyrobów medycznych, lecz samego materiału, który może być w przyszłości wykorzystany do ich wytwarzania.

W przeciwieństwie do materiałów litych, metamateriały charakteryzują się właściwościami wynikającymi nie tylko ze składu chemicznego, ale przede wszystkim z architektury ich struktury.

– Kolejnym etapem jest określenie kryteriów pękania – dodaje dr inż. Michał Doroszko. Analizujemy cały proces, od początkowego odkształcenia materiału aż do momentu jego zniszczenia. Dzięki temu jesteśmy w stanie określić, do jakiego momentu materiał może bezpiecznie pracować, co ma kluczowe znaczenie w kontekście jego potencjalnego zastosowania w organizmie człowieka.

Metamateriały charakteryzują się bardzo korzystnym stosunkiem wytrzymałości do masy, co czyni je atrakcyjnymi wszędzie tam, gdzie istotne są lekkość i trwałość konstrukcji.

– Metamateriały to wciąż nowa klasa materiałów, wymagająca dalszych, pogłębionych analiz – tłumaczy kierownik zespołu Politechniki Białostockiej. – Wiele czynników wpływających na ich zachowanie nie zostało jeszcze w pełni poznanych. Grant umożliwia pogłębienie wiedzy w tym zakresie i stanowi podstawę do dalszych prac w przyszłości.

Badania prowadzone są z wykorzystaniem nowoczesnej aparatury dostępnej w Politechnice Białostockiej i Politechnice Gdańskiej, w tym maszyn wytrzymałościowych, mikrotomografii komputerowej oraz technik analizy mikrostruktury.

– Połączenie nowoczesnej aparatury, zaawansowanych metod wytwarzania i rozbudowanych modeli numerycznych pozwala prowadzić badania na bardzo wysokim poziomie – podkreśla dr inż. Doroszko. – Nasze eksperymenty wpisują się w nowoczesne trendy badawcze i stwarzają szerokie możliwości publikacyjne. W ten sposób wzmacniamy potencjał naukowy Politechniki Białostockiej, a nasz projekt stanowi istotny element rozwoju badań nad nową klasą materiałów.

Politechnika Białostocka otrzymała 750 540 zł w ramach konkursu OPUS 29, organizowanego przez Narodowe Centrum Nauki. Projekt „Badania eksperymentalne i modelowanie numeryczne procesów odkształcania i pękania metamateriałów otrzymywanych metodami przyrostowymi ze stopów tytanu” zajął bardzo wysokie, trzecie miejsce w konkursie OPUS 29 w panelu ST8 – inżynieria procesów i produkcji. Badania prowadzone są w ramach konsorcjum, którego liderem jest Politechnika Gdańska, a partnerem – Politechnika Białostocka.

Kierownikiem projektu został prof. dr inż. hab. Andrzej Seweryn z Politechniki Gdańskiej. W skład zespołu badawczego Politechniki Białostockiej wchodzi jego kierownik, dr inż. Michał Doroszko oraz dr inż. Anna Falkowska z Katedry Mechaniki i Informatyki Stosowanej Wydziału Mechanicznego Politechniki Białostockiej. W ramach projektu przewidziano także stanowisko stypendysta/student/doktorant, które zostanie obsadzone w drodze konkursu.

Projekt „Badania eksperymentalne i modelowanie numeryczne procesów odkształcania i pękania metamateriałów otrzymywanych metodami przyrostowymi ze stopów tytanu” otrzymał łącznie 1 678 950 zł.

Wyniki konkursu OPUS 29 dostępne są na stronie Narodowego Centrum Nauki.

Oprac. Katarzyna Kozioł