Naturliga material som ben, fågelfjädrar och trä har ett intelligent förhållningssätt till fysisk stressfördelning, trots sin oregelbundna arkitektur. Men förhållandet mellan stressmodulering och deras strukturer har förblivit svårfångade.

En ny studie som integrerar maskininlärning, optimering, 3D-utskrift och stressexperiment gjorde det möjligt för ingenjörer att få insikt i dessa naturliga underverk genom att utveckla ett material som replikerar funktionaliteten hos mänskligt ben för ortopedisk lårbensrestaurering.

Frakturer på lårbenet, det långa benet i överbenet, är en utbredd skada hos människor och är vanliga bland äldre individer. De brutna kanterna gör att spänningen koncentreras vid sprickspetsen, vilket ökar risken för att frakturen förlängs. Konventionella metoder för att reparera ett frakturerat lårben involverar vanligtvis kirurgiska ingrepp för att fästa en metallplatta runt frakturen med skruvar, vilket kan orsaka lossning, kronisk smärta och ytterligare skada.

Studien, ledd av University of Illinois Urbana-Champaign civil- och miljöteknikprofessor Shelly Zhang och doktorand Yingqi Jia i samarbete med professor Ke Liu från Peking University, introducerar ett nytt tillvägagångssätt för ortopedisk reparation som använder en helt kontrollerbar beräkningsram för att producera en material som efterliknar ben.

Studiens resultat publiceras i tidskriften Nature Communications .

"Vi började med materialdatabas och använde en virtuell tillväxtstimulator och maskininlärningsalgoritmer för att generera ett virtuellt material och sedan lära oss förhållandet mellan dess struktur och fysiska egenskaper," sa Zhang.

"Det som skiljer detta arbete från tidigare studier är att vi tog saker ett steg längre genom att utveckla en beräkningsoptimeringsalgoritm för att maximera både arkitekturen och stressfördelningen vi kan kontrollera."

I labbet använde Zhangs team 3D-utskrift för att tillverka en fullskalig hartsprototyp av det nya bioinspirerade materialet och fäste den på en syntetisk modell av ett frakturerat mänskligt lårben.

"Att ha en påtaglig modell gjorde det möjligt för oss att köra verkliga mätningar, testa dess effektivitet och bekräfta att det är möjligt att odla ett syntetiskt material på ett sätt som är analogt med hur biologiska system är uppbyggda," sa Zhang.

"Vi föreställer oss att detta arbete hjälper till att bygga material som kommer att stimulera benreparation genom att ge optimerat stöd och skydd från yttre krafter."

Zhang sa att denna teknik kan tillämpas på olika biologiska implantat varhelst stressmanipulation behövs.

"Själva metoden är ganska generell och kan appliceras på olika typer av material som metaller, polymerer - praktiskt taget alla typer av material," sa hon. "Nyckeln är geometrin, den lokala arkitekturen och motsvarande mekaniska egenskaper, vilket gör applikationerna nästan oändliga."

Mer information: Yingqi Jia et al, Modulera stressfördelning med bioinspirerade oregelbundna material för optimalt vävnadsstöd, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47831-2

Journalinformation: Nature Communications

Tillhandahålls av University of Illinois i Urbana-Champaign