コンプライアント縫合糸の引張特性および破壊メカニズムに及ぼす形状と配向の影響

Effect of Geometry and Orientation on the Tensile Properties and Failure Mechanisms of Compliant Suture Joints.

抄録

硬いマトリックスに囲まれたコンプライアント縫合糸は、生物の鎧や甲羅に存在し、高い機械的性能を発揮しています。このような縫合複合材料が優れた特性を発揮するメカニズムを理解することは、強度と靭性が向上した工学材料を開発する上で重要な鍵となります。この論文では、単一のポリマーネットワーク内で機械的不均質を簡単に光パターン化できる二段階反応性ポリマー樹脂を用いて、縫合糸の形状と荷重方向が縫合ジョイントの性能に与える影響について研究しています。様々な形状を持つコンプライアントな正弦波縫合糸を硬いマトリックスに光パターニングし、2桁の弾性率のコントラストを生成しました。縫合糸の波長と振幅を、平行および垂直荷重条件下での複合材料の性能と関連付ける経験的関係を構築した。その結果、縫合糸間の距離を大きくすると、縫合糸接合部に垂直に荷重をかけた場合には複合材料の性能が大きく向上するが、接合部に平行に荷重をかけた場合には有害な影響を与えることが示された。垂直荷重下での破壊メカニズムを調査した結果、縫合部の形状と損傷発生後の亀裂成長安定性の間の相互作用が浮き彫りになりました。私たちの発見は、将来的に複合材料や生物にヒントを得た構造を設計するためのフレームワークを可能にする可能性があります。

Compliant sutures surrounded by stiff matrices are present in biological armors and carapaces, providing enhanced mechanical performance. Understanding the mechanisms through which these sutured composites achieve outstanding properties is key to developing engineering materials with improved strength and toughness. This article studies the impact of suture geometry and load direction on the performance of suture joints using a two-stage reactive polymer resin that enables facile photopatterning of mechanical heterogeneity within a single polymer network. Compliant sinusoidal sutures with varying geometries are photopatterned into stiff matrices, generating a modulus contrast of 2 orders of magnitude. Empirical relationships are developed connecting suture wavelength and amplitude to composite performance under parallel and perpendicular loading conditions. Results indicate that a greater suture interdigitation broadly improves composite performance when loading is applied perpendicular to suture joints but has deleterious effects when loading is applied parallel to the joint. Investigations into the failure mechanisms under perpendicular loading highlight the interplay between suture geometry and crack growth stability after damage initiation occurs. Our findings could enable a framework for engineering composites and bio-inspired structures in the future.