Prirodni materijali poput kosti, ptičjeg perja i drveta imaju inteligentan pristup raspodeli fizičkog stresa, uprkos njihovoj nepravilnoj arhitekturi. Međutim, veza između modulacije stresa i njihovih struktura je ostala neuhvatljiva.
Nova studija koja integriše mašinsko učenje, optimizaciju, 3D štampanje i eksperimente sa stresom omogućila je inženjerima da steknu uvid u ova prirodna čuda tako što su razvili materijal koji replicira funkcionalnost ljudske kosti za ortopedsku restauraciju butne kosti.
Prelomi butne kosti, duge kosti natkolenice, su raširena povreda kod ljudi i preovlađuju među starijim osobama. Polomljene ivice izazivaju koncentrisanje naprezanja na vrhu pukotine, povećavajući šanse da se prelom produži. Konvencionalne metode popravke slomljene butne kosti obično uključuju hirurške procedure za pričvršćivanje metalne ploče oko preloma pomoću šrafova, što može izazvati popuštanje, hronični bol i dalje povrede.
Studija, koju predvode profesorka građevinarstva i inženjerstva zaštite životne sredine na Univerzitetu Ilinois, Šeli Žang i diplomirani student Jingki Jia u saradnji sa profesorom Ke Liuom sa Univerziteta u Pekingu, uvodi novi pristup ortopedskoj popravci koji koristi potpuno kontrolisan računarski okvir za proizvodnju materijal koji imitira kost.
Nalazi studije objavljeni su u časopisu Nature Communications.
„Počeli smo sa bazom podataka materijala i koristili virtuelni stimulator rasta i algoritme mašinskog učenja da generišemo virtuelni materijal, a zatim naučimo odnos između njegove strukture i fizičkih svojstava“, rekao je Zhang.
„Ono što ovaj rad razlikuje od prošlih studija je to što smo napravili korak dalje razvijajući algoritam za optimizaciju računara kako bismo maksimizirali i arhitekturu i distribuciju stresa koju možemo kontrolisati.
U laboratoriji, Zhangov tim je koristio 3D štampanje da bi napravio prototip od smole u punoj veličini novog materijala inspirisanog bio i pričvrstio ga na sintetički model slomljene ljudske butne kosti.
„Posedovanje opipljivog modela omogućilo nam je da izvršimo merenja u stvarnom svetu, testiramo njegovu efikasnost i potvrdimo da je moguće uzgajati sintetički materijal na način analogan načinu na koji se grade biološki sistemi“, rekao je Zhang.
„Zamišljamo da ovaj rad pomaže u izgradnji materijala koji će stimulisati popravku kostiju pružajući optimizovanu podršku i zaštitu od spoljnih sila.“
Zhang je rekao da se ova tehnika može primeniti na različite biološke implantate gde god je potrebna manipulacija stresom.
„Sama metoda je prilično opšta i može se primeniti na različite vrste materijala kao što su metali, polimeri – praktično bilo koja vrsta materijala“, rekla je ona. „Ključ je geometrija, lokalna arhitektura i odgovarajuća mehanička svojstva, čineći aplikacije skoro beskonačnim.“
