Костта е чудесен материал. Учените предизвикват физиката да я имитира за повече постоянни заместители.

Преди няколко години Амир Задор търсеше нов специален материал. Той се нуждаеше от някой, който да расте по-дебело, когато той лежи, но той също така ще бъде твърд като кости, пише BBC, излъчване Перископ.

Беше много трудна молба. Помислете какво се случва, когато дръпнете гъвкав колан от двата края - докато се разширява, гъвкавостта става все по-тънка. Zandpoor, един ортопед професор в Лайдън университет медицински център в Холандия, и неговият екип се нуждае от нещо, което ще направи точно обратното. Той трябва почти да оспори законите на физиката.

Проблемът, пред който са изправени, са бедрата. Мобилните заместители са една от най-често срещаните ортопедични процедури, извършвани по целия свят. Проблемът е, че хората с изкуствени басейни предприемат около два милиона стъпки годишно, което поставя имплант на сили, които постепенно го консумират. След десетилетие или повече употреба имплантите често трябва да се заменят.

Zandpoor и колегите му се надяваха да решат този проблем чрез поставяне на два различни материала, които се въвеждат по противоположни начини, когато лежат от всяка страна на основата на импланта - единият, който става по-дебел, когато е компресиран, а другият е по-дебел, когато лежи. Това ще помогне да се смекчи бедрената кост, когато възелът е под натиск и ще гарантира, че имплантът остава здраво закрепен върху костта.

Това би засилило връзката между костта и"импланта, казва Задор. Всичките им изследвания предполагат, че ще проработи. Освен че имало и друго препятствие - някои известни материали, които стават по - дебели, когато лежат, наречени ауксетични материали, обикновено са меки и гъвкави. Те се използват в каски и колянни щитове, например.

"Ние се опитвахме да намерим този свещен граал на автентичността и също така висока твърдост, за да можем да носим товари", казва Задпур. "Това става плашещ лов. "

Автоматичното обучение може да даде възможност за адаптиране на индивидуални костни импланти към анатомията на пациента.

Екипът се обърна към изкуствен интелект за помощ. Използвайки система, обучена да предсказва как могат да се държат различни материали, те са били в състояние да включват специфични свойства, които са искали. Машината се връща с дизайн за нещо, известно като"матер" - материали, които могат да бъдат модифицирани, за да имат странни свойства чрез промяна на микроскопичната им структура.

Тяхната работа е само един пример за това как учените все повече се обръщат към Вътрешния отдел, за да им помогнат да развият материали, които някога са били неоткриваеми. И това се оказва особено силно за тези, които се опитват да имитират свойствата на биологичната тъкан.

"С автоматичното учене можете да направите (процеса) много по-бързо и това ви позволява да изследвате хиляди до милиони други структури, за да намерите това, което ви трябва", казва Задор.

Metamaterials могат да бъдат проектирани да имат различни хора, в зависимост от тяхната вътрешна структура - те могат да се държат като твърдо тяло или като течност в зависимост от специфичната честота на гласа, приложен върху тях, например. Но намирането на желаната вътрешна структура все още е предизвикателство, когато разчитаме на физически методи или симулации.

Сид Кумар, доцент по материална наука в TT Delft в Холандия, казва, че може да отнеме около година да се разработи и обучи модел на IA за генериране на нови материали. Но след като това е на място, може да отнеме минути или дори секунди на системата да генерира осъществими дизайни.

В един от проектите си, Кумар и колегите му са използвали IA, за да измислят метаматизъм, който може да се използва за създаване на меки костни импланти за възстановяване на сложни фрактури, които са общи за възрастните хора. Често се използват плочи, винтове и пръти, изработени от титан или стомана, но костите не винаги заздравяват добре около тях. Това може да означава, че тези импланти не са правилно интегрирани, оставяйки ги слаби.

Изследователите смятали, че един по - мек материал, който все още предлага структурата, може най - добре да имитира меката тъкан, която естествено се образува в ранните етапи на възстановяване при фрактура. Те искаха метаметър, който включва уеб подобна микроструктура, но също така има свойства, подобни на течност като полимер или хидрогел. Този мек материал, който може да изглежда като тънка кръгла превръзка, съдържаща дупки, ще бъде поставен в рамка, така че живите клетки да могат да го колонизират и да му позволят да се интегрира с костта.

Ранната фаза на възстановяване на фрактурите е от решаващо значение за успеха", казва Xiao-Hao Qin, асистент-професор по биоматериално инженерство в ETH Цюрих в Швейцария и член на изследователския екип.

Металните импланти, използвани за възстановяване на фрактури, също са по-гъвкави от костта, което може да бъде проблемно, защото абсорбират външни сили. Следователно костите, които се образуват около тях, не изпитват щамове по време на упражнения и може да започнат да умират.

Така че Кумар и колегите му също искаха метаматериал, който имаше същата форма и свойства, както могат да бъдат намерени в краищата на дълги кости, като тези на ръцете и краката ни. Тук вътрешната кост има стилна структура, подобна на тази на медния заем, известен като трабекуларната кост, която осигурява сила и способност да абсорбира шокове.

В предишната работа, Kumar и колегите му са въвели нов клас метаматици, наречен спинодоиди, които споделят някои важни характеристики с порската кост. И двете имат вътрешни структури, подобни на мрежа, която е леко неправилна във форма. В зависимост от това как се управляват, те създават различни нива на сила и твърдост.

Чрез даване на алгоритъм на модела на автоматично обучение списък на свойства, които те са търсили, като специфичната твърдост на бедрената кост, Kumar и колегите му са били в състояние да генерират spinodoide дизайни, които отговарят тясно с човешката кост. Те са били в състояние да имитират нейното лечение, както и собствената му структура на дупки, например, и как се държи, когато сила се прилага за него.

Това е важно, защото може да искате регион на импланта да бъде по-твърд, друг регион да бъде по- порест и друг регион за насърчаване на растежа на тъканта", казва Mohammad Mizali, доцент по биомедицинско инженерство в TTU Delft, който не е участвал в работата.

Кумар и екипът му също са в състояние да покажат, че дизайнът може да бъде произведен чрез триизмерни техники за печат. Следващата им стъпка е да направят тестове, за да разберат как ще проработи, ако се имплантира в човешкото тяло.

Може би след няколко години, ние ще бъдем в състояние да направим миметични костни импланти", казва Кумар.

Zandpoor и колегите му са се преместили напред с стремежа си да намерят невъзможен метаматичен за хип импланти. Те са добавили към своя списък с свойства - толкова стабилни, колкото при стрес и подходящи за адаптиране към променливия басейн на пациента.

За да изпълнят дългия си списък с желания, Задпур и екипът му получиха три различни модела на автоматично обучение за обединяване на силите и съвместно търсене на осъществим метаматизъм. Този подход доведе до няколко метаматичен дизайни, които биха били подходящи за използване върху надървен имплант, който Задор твърди, че е невъзможно да се постигне без изкуствен интелект поради сложността на задълженията.

В бъдеще автоматичното обучение може да даде възможност за адаптиране на индивидуални костни импланти към анатомията на пациента, което трябва да го направи по-дълъг, казва Задор. / Перископ/