חוקרים  המפתחים חומרים חדשים עמידים, קלי-משקל ובטוחים מבחינה סביבתית, מחפשים בשנים האחרונות אחר מרכיבים טבעיים דוגמת עצמות שיהוו השראה. העצם היא חזקה וקשיחה הודות לשני חומרים מרכזיים המרכיבים אותה, פרוטאין קולגן רך ומינרל קשיח הנקרא הידרוקסי-אפטיט (hydroxyapatite), המסודרים בתבניות מורכבות ומאורגנות המשתנות בהתאם לרמת התרכובת, החל ברמת המיקרו ועד המאקרו.

גישה חדשה
אך בעוד שהחוקרים כבר הצליחו לתכנן מבנים מאורגנים שכאלה כחלק מפיתוח חומרים חדשים, המעבר מן המודל הממוחשב לשלב הייצור המעשי של החומר מבחינה פיזיקאלית מהווה אתגר מורכב. זאת, בשל העובדה כי המבנה ההיררכי המאורגן, שנותן למרכיבים הטבעיים את קשיחותם וחוזקם, נוצר בהרכבה עצמית על-ידי ריאקציות אלקטרו-כימיות, תהליך שקשה מאוד לחיקוי בתנאי מעבדה.

צוות חוקרים מאוניברסיטת MIT (במימון יחידת המחקר של הצבא האמריקני) הצליח לפתח לאחרונה גישה חדישה המאפשרת להם להפוך את תרשימיהם למציאותיים. בתוך שעות בודדות בלבד, הם מסוגלים לעבור ישירות ממודל ממוחשב כולל של חומר סינתטי ליצירה של דוגמיות פיזיקאליות.

במאמר שפורסם לאחרונה במגזין Advanced Functional Materials מתאר פרופסור מרקוס ביוהלר , מהמחלקה להנדסה אזרחית וסביבתית באוניברסיטה את הגישה החדשה. באמצעות אופטימיזציה ממוחשבת, פולימרים קשיחים ורכים כאחד מונחים בתבניות גיאומטריות המחקות בצורה מרשימה את תבניות הטבע, ומדפסת תלת-ממד, המדפיסה באמצעות שני פולימרים בו-זמנית, הצוות הצליח לייצר דוגמיות של חומרים סינתטיים המתנהגים בצורה דומה לעצמות. אחד מן החומרים הללו אף עמיד לשברים פי 22 מהחומר החזק ביותר המרכיב אותו, דבר שהושג באמצעות שינוי הארגון הפנימי שבו.

חזקים השניים מן האחד
הקולגן שבעצם ניתן למתיחה והוא רך מידי מכדי לשמש חומר מבני, ואילו ההידרוקסי-אפטיט שברירי מידי לצורך זה. אך עדיין, כאשר שני החומרים יחדיו משתלבים, הם יוצרים תרכובת מרשימה המסוגלת להעניק תמיכה שלדית לגוף האנושי. התבניות המאורגנות מסייעות לעצם להתמודד עם שברים באמצעות פיזור האנרגיה והנזק על פני שטח גדול יותר, במקום פגיעה נקודתית הגורמת לכשל בחומר.

"התבניות הגיאומטריות שהשתמשנו בהן בחומרים הסינתטיים מתבססות על אלה שניתן למצוא בחומרים טבעיים דוגמת עצם או צדפה, אך הם גם כוללים תכנונים חדשים שאינן קיימים בטבע", מסביר פרופסור ביוהלר, שערך מחקר מקיף על המבנה המולקולארי והתנהגות השבר (fracture behavior) בביו-חומרים. שותפיו למחקר הם בוגרי האוניברסיטה ליאון דימאס וגראהם בראצל, וכן עידו איילון מחברת Stratasys הישראלית-אמריקנית – מן המובילות בתחום ההדפסה התלת ממדית בעולם. "כמהנדסים אנו, כמובן, לא מוגבלים רק לתבניות שבטבע. אנו יכולים לתכנן את התבניות שלנו, שאף עשויות לשפר  את הביצועים הקיימים כבר."

החוקרים יצרו שלוש תרכובות חומרים סינתטיות, כל אחת מהן בעלת עובי של שמינית אינטש (3.175 מילימטרים) וממדים של 5x7 אינטש (12.7x17.8 ס"מ). הדוגמית הראשונה מדמה את התכונות המכאניות של העצם והצדפה (צדפת הפנינים). לתרכובת סינתטית זו תבנית מיקרוסקופית הנראית כקיר לבנים מתנדנד: פולימר רך ושחור הפועל כמלט, וחומר פולימרי כחול קשיח היוצר את ה'לבנים'. תרכובת נוספת מדמה את המינרל קלציט (calcite), שהוא בעל תבנית קיר לבנים הפוכה וכולל 'לבנים רכות' העטופות בתאי פולימר קשיחים. לתרכובת השלישית תבנית יהלום הדומה לעור נחש. תבנית זו פותחה לצורך שיפור אלמנט אחד בעצם – היכולת להעתיק (shift) ולפזר נזק.

צעד בדרך למטא-חומרים
הצוות הצליח להוכיח את הדיוק שבגישתם באמצעות סידרת ניסויים שערכו על הדוגמיות שיצרו. הבדיקות הוכיחו, כי החומרים החדשים נשברו בדיוק באופן שנחזה על-ידי סימולציית המחשב. הדוגמיות עברו את המבחנים ואישרו את התהליך כולו, יעילותו ורמת הדיוק שנחזתה באופטימיזציה הממוחשבת. כצפוי, החומר דמוי העצם הוכח כחזק ביותר.

"הדבר החשוב ביותר הוא שהניסויים הוכיחו את ההערכות הממוחשבות הנוגעות לדוגמית דמוית העצם ועמידותה בפני שברים. הצלחנו לייצר תרכובת שעמידותה גבוהה ביותר מפי 20 מאשר המרכיב החזק ביותר שבה", מסביר דימאס.

"המחקר מהווה דוגמה נהדרת כיצד ניתן להשתמש בהדפסת תלת ממד לצורך ייצור של ארכיטקטורות מורכבות, המחקות את אלו הקיימות בטבע," אומרת פרופסור ג'ניפר לואיס מהארווארד. "הכוח שבשילוב התכנונים, המידול הממוחשב וההרכבה התלת-ממדית יובן במלואו רק כאשר כלים אלו ישולבו על מנת לייצר מטא חומרים חדשים לגמרי , או במילים אחרות, חומרים שכיום פשוט אינם קיימים בשום צורה – טבעית או מהונדסת. המחקר החדש מהווה צעד חשוב בדרך להשגת מטרה זו."

פרופסור ביוהלר טוען כי ניתן לשפר את התהליך כדי לספק אמצעים משתלמים לייצור של חומרים המורכבים משניים או שלושה מרכיבים, המסודרים בתבניות שונות ומגוונות, ולהתאימם למשימות ספציפיות בחלקים שונים של מבנים מורכבים. הוא מקווה, כי בסופו של דבר ניתן יהיה להדפיס מבנים שלמים עם חומרים אופטימאליים שיכללו בתוכם מעגלים חשמליים, צנרת, ויכולות אגירת אנרגיה. "האפשרויות בתחום זה נראות בלתי נגמרות, בשעה שאנו רק מתחילים לדחוף את הגבולות של הצורות הגיאומטריות והרכבי החומרים אותם ניתן להדפיס," מסכם ביוהלר.