Forskere introducerer programmerbare materialer til at hjælpe med at helbrede brækkede knogler

Naturmaterialer som knogler, fuglefjer og træ har en intelligent tilgang til fysisk stressfordeling på trods af deres uregelmæssige arkitekturer. Forholdet mellem stressmodulation og deres strukturer er dog forblevet uhåndgribeligt.

En ny undersøgelse, der integrerer maskinlæring, optimering, 3D-print og stresseksperimenter, gjorde det muligt for ingeniører at få indsigt i disse naturlige vidundere ved at udvikle et materiale, der replikerer funktionaliteterne af menneskelig knogle til ortopædisk femur-restaurering.

Brud på lårbenet, den lange knogle i overbenet, er en udbredt skade hos mennesker og er udbredt blandt ældre individer. De knækkede kanter får stress til at koncentrere sig ved revnespidsen, hvilket øger chancerne for, at bruddet forlænges. Konventionelle metoder til reparation af et lårbensbrud involverer typisk kirurgiske procedurer for at fastgøre en metalplade rundt om bruddet med skruer, hvilket kan forårsage løsning, kronisk smerte og yderligere skade.

Undersøgelsen, ledet af University of Illinois Urbana-Champaign civil- og miljøingeniørprofessor Shelly Zhang og kandidatstuderende Yingqi Jia i samarbejde med professor Ke Liu fra Peking University, introducerer en ny tilgang til ortopædisk reparation, der bruger en fuldt kontrollerbar beregningsramme til at producere en materiale, der efterligner knogler.

Undersøgelsens resultater er publiceret i tidsskriftet Nature Communications .

"Vi startede med materialedatabase og brugte en virtuel vækststimulator og maskinlæringsalgoritmer til at generere et virtuelt materiale og derefter lære forholdet mellem dets struktur og fysiske egenskaber," sagde Zhang.

"Det, der adskiller dette arbejde fra tidligere undersøgelser, er, at vi tog tingene et skridt videre ved at udvikle en beregningsoptimeringsalgoritme for at maksimere både arkitekturen og stressfordelingen, vi kan kontrollere."

I laboratoriet brugte Zhangs team 3D-print til at fremstille en fuldskala harpiksprototype af det nye bio-inspirerede materiale og fastgjorde det til en syntetisk model af et brækket menneskelig lårben.

"At have en håndgribelig model gjorde det muligt for os at udføre målinger i den virkelige verden, teste dens effektivitet og bekræfte, at det er muligt at dyrke et syntetisk materiale på en måde, der svarer til, hvordan biologiske systemer er bygget," sagde Zhang.

"Vi forestiller os, at dette arbejde hjælper med at bygge materialer, der vil stimulere knoglereparation ved at give optimeret støtte og beskyttelse mod eksterne kræfter."

Zhang sagde, at denne teknik kan anvendes på forskellige biologiske implantater, hvor der er behov for stressmanipulation.

"Selve metoden er ret generel og kan anvendes på forskellige typer materialer såsom metaller, polymerer - stort set alle typer materiale," sagde hun. "Nøglen er geometrien, den lokale arkitektur og de tilsvarende mekaniske egenskaber, hvilket gør applikationer næsten uendelige."

Flere oplysninger: Yingqi Jia et al., Moduler stressfordeling med bio-inspirerede uregelmæssige arkitektoniske materialer mod optimal vævsstøtte, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47831-2

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af University of Illinois at Urbana-Champaign