Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейге демонстрируют напечатанный на 3D-принтере прототип нового биоматериала, прикрепленный к синтетической модели сломанной бедренной кости человека. Фото: Фред Цвикки ЛОИС ЙОКСУЛИАН Создание материалов нестандартной конструкции с оптимизацией модуляции напряжений и ее потенциальные применения. Изображение:
Природные коммуникации
(2024). DOI: 10.1038/s41467-024-47831-2
Натуральные материалы, такие как кость, птичьи перья и дерево, разумно распределяют физическую нагрузку, несмотря на их нестандартную структуру. Однако связь между модуляцией стресса и их структурами остается неясной.
Новое исследование, объединяющее машинное обучение, оптимизацию, 3D-печать и стрессовые эксперименты, позволило инженерам получить представление об этих чудесах природы, разработав материал, повторяющий функциональные возможности человеческой кости для ортопедической реставрации бедренной кости.
Переломы бедренной кости, длинной кости верхней части голени, являются широко распространенной травмой среди людей и преобладают среди пожилых людей. Сломанные края заставляют напряжение концентрироваться на вершине трещины, увеличивая вероятность удлинения трещины. Обычные методы лечения перелома бедренной кости обычно включают хирургические процедуры по прикреплению металлической пластины к перелому с помощью винтов, что может вызвать расшатывание, хроническую боль и дальнейшую травму.
Исследование, проведенное профессором гражданской и экологической инженерии Университета Иллинойса в Урбане-Шампейн Шелли Чжан и аспиранткой Инци Цзя в сотрудничестве с профессором Кэ Лю из Пекинского университета, представляет новый подход к ортопедическому ремонту, который использует полностью контролируемую вычислительную структуру для создания материал, имитирующий кость.
Результаты исследования опубликовано в журнале Природные коммуникации.
«Мы начали с базы данных материалов и использовали виртуальный стимулятор роста и алгоритмы машинного обучения для создания виртуального материала, а затем изучили взаимосвязь между его структурой и физическими свойствами», — сказал Чжан.
«Что отличает эту работу от предыдущих исследований, так это то, что мы пошли еще дальше, разработав алгоритм вычислительной оптимизации, чтобы максимизировать как архитектуру, так и распределение напряжения, которое мы можем контролировать».
В лаборатории команда Чжана использовала 3D-печать для изготовления полномасштабного полимерного прототипа нового биоматериала и прикрепила его к синтетической модели сломанной бедренной кости человека.
«Наличие реальной модели позволило нам провести измерения в реальных условиях, проверить ее эффективность и подтвердить, что можно выращивать синтетический материал аналогично тому, как строятся биологические системы», — сказал Чжан.
«Мы предполагаем, что эта работа поможет создать материалы, которые будут стимулировать восстановление костей, обеспечивая оптимальную поддержку и защиту от внешних сил».
Чжан сказал, что эту технику можно применять к различным биологическим имплантатам там, где требуется манипулирование стрессом.
«Сам метод довольно общий и может применяться к различным типам материалов, таким как металлы, полимеры — практически к любому типу материалов», — сказала она. «Главное — геометрия, локальная архитектура и соответствующие механические свойства, что делает применение практически безграничным».
Предоставлено Университетом Иллинойса в Урбана-Шампейн.