人工智慧設計的合成骨骼有望變革未來的骨科手術
研究人員利用機器學習和三維列印技術開發出一種仿骨合成材料,旨在提高骨科治療水準。這種新材料有可能取代傳統手術方法,減少併發症並改善癒合。儘管骨骼和鳥類羽毛等天然材料的結構並不規則,但它們在物理應力分佈方面卻具有極高的效率。然而,長期以來,科學家一直未能弄清楚應力調製與其結構之間的確切關係。
在最近的一項研究中,研究人員利用機器學習、最佳化、3D 列印和應力實驗,開發出一種可複製人類骨骼功能的材料,用於骨科股骨修復,揭示了這種複雜關係的奧秘。
伊利諾大學厄巴納-香檳分校的研究人員展示了這種新型生物啟發材料的三維列印樹脂原型,圖中的原型附著在人體股骨骨折的合成模型上。圖片來源:Fred Zwicky
股骨骨折修復的挑戰
股骨(上肢的長骨)骨折是常見的人體損傷,在老年人中十分常見。斷裂的邊緣導致應力集中在裂縫尖端,增加了骨折延長的幾率。修復股骨骨折的傳統方法通常是透過外科手術,用螺絲將金屬板固定在骨折處,這可能會導致鬆動、慢性疼痛和進一步損傷。
研究生賈穎琦(左)和教授張雪莉利用機器學習和三維列印技術製造出一種新型生物啟發材料,這種材料可能會改善骨折癒合的傳統方法。圖片來源:Fred Zwicky
骨科修復的創新方法
這項研究由伊利諾大學厄巴納-香檳分校土木與環境工程系教授謝利-張(Shelly Zhang)、研究生賈穎琦(音譯)和北京大學教授劉克(音譯)共同領導。他們的研究成果發表在《自然-通訊》(Nature Communications)上,介紹了一種創新的骨科修復方法,該方法利用完全可控的計算框架來生產一種模仿骨骼的材料。
“我們從材料資料庫入手,使用虛擬生長刺激器和機器學習演算法生成虛擬材料,然後學習其結構和物理性質之間的關係,”張說。 “這項工作與以往研究的不同之處在於,我們更進一步,開發了一種計算優化演算法,以最大限度地提高我們可以控制的結構和應力分佈。”
在實驗室中,張的團隊利用三維列印技術製造了這種新型生物啟發材料的全尺寸樹脂原型,並將其附著在骨折人體股骨的合成模型上。
儘管骨骼、鳥類羽毛和木材等天然材料的結構並不規則,但它們在物理應力分佈方面具有智慧。一項整合了機器學習、3D 列印和應力實驗的新研究讓工程師們深入了解這些自然奇觀,開發出一種可複製人類骨骼功能的材料,用於骨科股骨修復。
張說:”有了切實可行的模型,我們就可以進行真實世界的測量,測試其功效,並確認有可能以類似於構建生物系統的方式生長合成材料。我們設想這項工作將有助於製造出透過提供最佳化的支撐和保護以抵禦外力作用來刺激骨骼修復的材料。
“這種技術可以應用於各種生物植入物,只要需要進行應力操作。”她說:”方法本身非常通用,可以應用於不同類型的材料,如金屬、聚合物–幾乎任何類型的材料。
編譯來源:ScitechDaily