研究人员利用机器学习和三维打印技术开发出一种仿骨合成材料，旨在提高骨科治疗水平。这种新材料有可能取代传统手术方法，减少并发症并改善愈合。尽管骨骼和鸟类羽毛等天然材料的结构并不规则，但它们在物理应力分布方面却具有极高的效率。然而，长期以来，科学家们一直未能弄清应力调制与其结构之间的确切关系。
在最近的一项研究中，研究人员利用机器学习、优化、3D 打印和应力实验，开发出一种可复制人类骨骼功能的材料，用于骨科股骨修复，揭示了这种复杂关系的奥秘。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员展示了这种新型生物启发材料的三维打印树脂原型，图中的原型附着在人体股骨骨折的合成模型上。图片来源：Fred Zwicky
股骨骨折修复的挑战
股骨（上肢的长骨）骨折是一种常见的人体损伤，在老年人中十分普遍。断裂的边缘导致应力集中在裂缝尖端，增加了骨折延长的几率。修复股骨骨折的传统方法通常是通过外科手术，用螺钉将金属板固定在骨折处，这可能会导致松动、慢性疼痛和进一步损伤。
研究生贾颖琦（左）和教授张雪莉利用机器学习和三维打印技术制造出一种新型生物启发材料，这种材料可能会改善骨折愈合的传统方法。图片来源：Fred Zwicky
骨科修复的创新方法
这项研究由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校土木与环境工程系教授谢利-张（Shelly Zhang）、研究生贾颖琦（音译）和北京大学教授刘克（音译）共同领导。他们的研究成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上，介绍了一种创新的骨科修复方法，该方法利用完全可控的计算框架来生产一种模仿骨骼的材料。
"我们从材料数据库入手，使用虚拟生长刺激器和机器学习算法生成虚拟材料，然后学习其结构和物理性质之间的关系，"张说。"这项工作与以往研究的不同之处在于，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结构和应力分布。"
在实验室中，张的团队利用三维打印技术制造出了这种新型生物启发材料的全尺寸树脂原型，并将其附着在骨折人体股骨的合成模型上。
尽管骨骼、鸟类羽毛和木材等天然材料的结构并不规则，但它们在物理应力分布方面具有智能。一项整合了机器学习、3D 打印和应力实验的新研究让工程师们得以深入了解这些自然奇观，开发出一种可复制人类骨骼功能的材料，用于骨科股骨修复。
张说："有了切实可行的模型，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构建生物系统的方式生长合成材料。我们设想这项工作将有助于制造出通过提供优化的支持和保护以抵御外力作用来刺激骨骼修复的材料。"
"这种技术可以应用于各种生物植入物，只要需要进行应力操作。"她说："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。关键在于几何形状、局部结构和相应的机械特性，这使得应用几乎无穷无尽。"
编译来源：ScitechDaily