Wetenschap
Onderzoekers introduceren programmeerbare materialen om gebroken botten te helpen genezen
Een nieuwe studie waarin machinaal leren, optimalisatie, 3D-printen en stress-experimenten zijn geïntegreerd, stelde ingenieurs in staat inzicht te krijgen in deze natuurlijke wonderen door een materiaal te ontwikkelen dat de functionaliteiten van menselijk bot repliceert voor orthopedisch femurherstel.
Fracturen van het dijbeen, het lange bot in het bovenbeen, zijn een wijdverbreid letsel bij mensen en komen veel voor bij oudere personen. De gebroken randen zorgen ervoor dat de spanning zich concentreert op de scheurpunt, waardoor de kans groter wordt dat de breuk langer wordt. Conventionele methoden voor het repareren van een gebroken dijbeen omvatten doorgaans chirurgische procedures waarbij met schroeven een metalen plaat rond de breuk wordt bevestigd, wat losraken, chronische pijn en verder letsel kan veroorzaken.
De studie, geleid door Shelly Zhang, hoogleraar civiele techniek en milieutechniek aan de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign, en afgestudeerde student Yingqi Jia, in samenwerking met professor Ke Liu van de Universiteit van Peking, introduceert een nieuwe benadering van orthopedisch herstel waarbij gebruik wordt gemaakt van een volledig controleerbaar computationeel raamwerk om een materiaal dat bot nabootst.
De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .
"We zijn begonnen met een materialendatabase en gebruikten een virtuele groeistimulator en machine learning-algoritmen om virtueel materiaal te genereren en vervolgens de relatie tussen de structuur en fysieke eigenschappen ervan te leren," zei Zhang.
"Wat dit werk onderscheidt van eerdere onderzoeken is dat we nog een stap verder zijn gegaan door een computationeel optimalisatie-algoritme te ontwikkelen om zowel de architectuur als de spanningsverdeling die we kunnen controleren te maximaliseren."
In het laboratorium gebruikte het team van Zhang 3D-printen om een volledig harsprototype van het nieuwe bio-geïnspireerde materiaal te vervaardigen en dit aan een synthetisch model van een gebroken menselijk dijbeen te bevestigen.
"Het hebben van een tastbaar model stelde ons in staat metingen in de echte wereld uit te voeren, de doeltreffendheid ervan te testen en te bevestigen dat het mogelijk is om synthetisch materiaal te kweken op een manier die analoog is aan de manier waarop biologische systemen worden gebouwd", aldus Zhang.
"We stellen ons voor dat dit werk helpt bij het bouwen van materialen die botherstel stimuleren door optimale ondersteuning en bescherming tegen externe krachten te bieden."
Zhang zei dat deze techniek kan worden toegepast op verschillende biologische implantaten waar stressmanipulatie nodig is.
"De methode zelf is vrij algemeen en kan worden toegepast op verschillende soorten materialen, zoals metalen en polymeren, vrijwel elk type materiaal," zei ze. "De sleutel is de geometrie, de lokale architectuur en de bijbehorende mechanische eigenschappen, waardoor de toepassingen vrijwel eindeloos zijn."