刚软界面设计在拉伸条件下进行了测试。 a 标准拉伸试样具有连接硬相和软聚合物相的功能梯度（平面外厚度 = 4 mm），作为硬相体积分数 （p） 的线性函数。 b 所有函数均具有不同的功能梯度宽度（wg）及其计算的软硬正常接触面积（ac）百分比。我们将三种不同的梯度长度值 （WG） 与五种不同的晶胞几何形状（即八位细胞、菱形、陀螺体、胶原状螺旋和随机分布的颗粒）相结合。 *nature communications （2023）。doi： 10.1038/s41467-023-43422-9
大多数人都会遇到笔记本电脑充电器在柔性电缆与实心适配器相接处断裂的情况。 这只是有效连接硬质和软质材料有多么困难的一个例子。 代尔夫特理工大学的研究人员使用独特的3D打印工艺，生产了一种混合多材料界面，该界面与自然界中骨肌腱连接处的设计非常相似。 他们的研究结果最近发表在《自然通讯》上，具有许多潜在的应用。
虽然骨骼和肌腱之间的硬度差异很大，但它们在人体中的交集永远不会失败。 正是这种骨肌腱连接激发了机械、海洋和材料工程学院（3ME）的一组研究人员探索优化人造材料的硬界面和软界面的方法。
每当两种连接的材料之间不匹配时，就会导致应力集中，生物材料和组织生物力学教授Amir Zadpoor解释说。 这意味着机械应力到达连接点，通常会导致较软的材料失效。 在自然界中可以看到的一件事是界面处属性的逐渐变化。
硬质材料不会突然变成软质材料，“Zadpoor说。 “它逐渐变化，从而消除了压力集中。 考虑到这一点，研究人员使用不同的几何形状和多材料3D打印技术来增加硬界面和软界面之间的接触面积，从而模仿自然界的设计。
另一个设计考虑因素是，软材料在失效前比硬材料承受的力要小。 “只有使界面与软材料一样坚固才有意义，因为如果它更坚固，软材料无论如何都会失效，这就是你理论的极限，”手稿的第一作者毛里西奥·克鲁兹·萨尔迪瓦博士说。
与对照组相比，研究人员能够将界面的韧性值提高50%。 据该团队称，接近理论上可能的极限是这项研究的主要贡献之一。 但该研究还产生了一套设计指南，用于改善仿生软刚界面的机械性能，这些原则普遍适用。
整个产品一气呵成。
该团队开发的技术也可以一次制造整个产品。 这一点很重要，因为具有各种材料的产品通常被粘合剂粘附。 零件可以像汽车或航空航天应用一样进行组装或机械连接。
但我们正在努力做的是消除所涉及的额外步骤，并一次性完成，“助理教授Zjenja Doubrovski说。 “这使我们能够组合更多奇特的材料，例如，阻尼性能比更强的材料。 这种组合允许更高的适用范围。
这项技术可以做很多事情。 潜在应用包括医疗设备、软机器人和柔性设备。 但该团队还旨在探索与活细胞的界面，以实现诸如将植入物连接到周围软组织等程序。
最终，我们希望再生骨骼以及骨骼和肌肉之间的连接，“助理教授Mohammad J说米尔扎利说。 “这意味着将活细胞整合到这个界面中，这将增加结构的多层复杂性。 最终，这项工作的结果为一系列未来的研究打开了大门。
更多信息： m c.Saldívar 等人，双材料 3D 打印硬软界面的生理设计，Nature Communications （2023）。 doi： 10.1038/s41467-023-43422-9