研究人员推出可编程材料帮助骨折愈合
尽管骨骼、鸟类羽毛和木材等天然材料的结构不规则，但它们却能够智能地分配物理应力。然而，应力调节与它们的结构之间的关系仍然难以捉摸。一项新研究将机器学习、优化、3D 打印和应力实验相结合，使工程师能够通过开发一种可复制人类骨骼功能的材料来用于骨科股骨修复，从而深入了解这些自然奇观。
股骨是大腿的长骨，股骨骨折是人类常见的损伤，在老年人中尤为常见。骨折边缘导致应力集中在裂缝尖端，增加了骨折延长的可能性。修复股骨骨折的传统方法通常包括手术，用螺钉将金属板固定在骨折周围，这可能会导致松动、慢性疼痛和进一步损伤。
该研究由诺伊大学厄巴纳-香槟分校土木与环境工程 教授 Shelly Zhang和研究生 Yingqi Jia领导， 与北京大学教授刘柯合作，介绍了一种新的骨科修复方法，即利用完全可控的计算框架来生产一种模仿骨骼的材料。
该研究成果发表在《自然通讯》杂志上。
“我们从材料数据库开始，使用虚拟生长刺激器和机器学习算法来生成虚拟材料，然后了解其结构和物理特性之间的关系，”张说。“这项工作与过去的研究不同之处在于，我们更进一步，开发了一种计算优化算法，以最大限度地提高我们可以控制的架构和应力分布。”
在实验室中，张的团队利用 3D 打印技术制作了这种新型仿生材料的全尺寸树脂原型，并将其附着到人类股骨骨折的合成模型上。
“有了有形的模型，我们就可以进行真实世界的测量，测试其功效，并确认有可能以类似于生物系统构建的方式培育合成材料，”张说。“我们设想这项工作有助于制造出能够通过提供优化的支持和保护来刺激骨骼修复的材料，免受外力的影响。”
张说，这项技术可以应用于各种需要应力操控的生物植入物。“这种方法本身非常通用，可以应用于不同类型的材料，如金属、聚合物——几乎任何类型的材料，”她说。“关键是几何形状、局部结构和相应的机械性能，这使得应用几乎无穷无尽。”
诺伊大学颁发的 David C. Crawford 教师学者奖支持了这项研究。
张先生还隶属于 诺伊州机械科学与工程学院 和国家超级计算应用中心。
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