Исследователи Делфтского технического университета в Нидерландах разработали и испытали метаматериал, который плавно соединяет два вида пористых решёток. Их работа вышла 5 октября 2026 года в журнале Nature Communications. 6 ноября о ней сообщило издание Physics World.

В большинстве испытаний переходная зона деформировалась меньше соседних участков, а образцы разрушались внутри одной из решёток, не на стыке. В конструкции, имитирующей соединение кости и сухожилия, расчётная структурная жёсткость различалась в 37–84 раза. Жёсткость самой переходной ячейки исследователи смогли менять от 0,4 до пяти исходных значений.

Как решётки соединяют без резкой границы

Команда соединила две архитектуры. Первая состоит из тонких непрерывных поверхностей, называемых поверхностями трижды периодической минимальной поверхности (TPMS). Вторая построена из отдельных стержней, образующих пространственную сеть. Первая обычно жёстче; вторая позволяет конструкции деформироваться гибче и в заданном направлении.

Резкий стык между такими решётками может стать местом повышенной деформации. Вместо него исследователи создали переходную область длиной примерно в одну элементарную ячейку. Эта «спаренная» ячейка объединяет узлы и форму обеих решёток, поэтому свойства меняются постепенно. Расчёты позволяют менять толщину стенок и другие параметры: удаление материала снижает жёсткость, добавление повышает её.

Представим конструкцию, где жёсткая пористая решётка соединяется с более мягкой сетью стержней. Если свести их резким швом, деформация может сосредоточиться на границе, как в детали, которая внезапно становится тоньше. Переходная ячейка работает как короткий адаптер: постепенно меняет геометрию и помогает согласовать деформацию соседних частей. Однако результат зависит от конкретной пары решёток. В конфигурациях G_F и G_S исследователи заметили выраженную концентрацию деформаций в переходной зоне.

Конструкции напечатали на 3D-принтере и изучили с помощью микрокомпьютерной томографии. Образцы испытывали на сжатие, растяжение, кручение, изгиб и сочетание нагрузок; их поведение также моделировали численно и проверяли усталостную прочность. В большинстве испытаний разрушение начиналось в одной из решёток, а не в переходной области. Авторы отмечают, что образцы для испытаний на изгиб не были оптимизированы.

Чтобы показать возможное применение метода, авторы спроектировали биомиметическую конструкцию «кость, переходная область, сухожилие». Она сочетает жёсткую пористую часть, напоминающую кость, и более податливую волокнистую часть, имитирующую сухожилие. Пока исследователи проверяют инженерные образцы и расчёты, а не готовые медицинские изделия. Реакцию клеток на такую архитектуру они только начали изучать в лабораторных опытах in vitro. Испытания не устанавливают безопасность или эффективность имплантов для людей.

Работа описана в материалах о подготовке научных статей. Она показывает способ проектировать многозонные конструкции, но не подтверждает безопасность или эффективность таких имплантов у людей.

Схема постепенного перехода от жёсткой решётки к гибкой через промежуточную ячейку

Фото: Jonathan Borba / Pexels