Kost je úžasný materiál. Vědci zpochybňují fyziku, aby ji napodobili pro permanentnější náhrady.

Před pár lety Amir Zador hledal nový speciální materiál. Potřeboval někoho, kdo bude silnější, když bude ležet, ale byl by také pevný jako kosti, píše BBC, vysílání Periskop.

Byla to velmi obtížná žádost. Přemýšlejte o tom, co se stane, když vytáhnete pružný pás z obou stran - jak se rozšiřuje, flexibilita se stává stále tenčí. Zandpoor, ortopedický profesor na Leidenově univerzitě v Holandsku, a jeho tým potřeboval něco, co by udělalo pravý opak. Měl by téměř zpochybňovat zákony fyziky.

Problém, kterému čelili, byly boky. Mobilní náhrady jsou jedním z nejčastějších ortopedických postupů prováděných na celém světě. Problémem je, že lidé s umělými pánvemi podnikají přibližně dva miliony kroků ročně, což je implantát, který je postupně spotřebovává. Po deseti nebo více letech používání musí být implantáty často nahrazeny.

Zandpoor a jeho kolegové doufali, že tento problém vyřeší tím, že umístí dva různé materiály, které jsou přineseny opačným způsobem, když leží na každé straně základny implantátu - jeden, který se stává silnější, když je stlačen, a druhý, který je silnější, když leží. To by pomohlo změkčit stehenní kost, když byl uzel pod tlakem, a zajistilo by, že implantát zůstane pevně upevněn na kosti.

To by posílilo vazbu mezi kostí a implantátem", říká Zador. Všechny jejich výzkumy naznačovaly, že to bude fungovat. Až na to, že tam byla další překážka - některé známé materiály, které se stávají silnější, když si lehnou, tzv. augetické materiály mají tendenci být měkké a pružné. Používají se například v přilbách a kolenních štítech.

"Snažili jsme se najít tento posvátný grál pravosti a také vysokou tuhost, abychom mohli nést zatížení", říká Zadpoor. "To se stává děsivým lovem.

Automatické učení také umožňuje přizpůsobit jednotlivé kostní implantáty anatomii pacienta.

Tým se obrátil na umělou inteligenci pro pomoc. Pomocí systému IA vyškoleného pro předpovídání, jak se mohou různé materiály chovat, byli schopni zahrnout specifické vlastnosti, které chtěli. Stroj se vrátil s návrhem na něco známého jako"mater" - materiály, které mohou být upraveny tak, aby měly zvláštní vlastnosti změnou jejich mikroskopické struktury.

Jejich práce je jen jedním z příkladů toho, jak vědci stále častěji řeší vnitřní záležitosti, aby jim pomohli vyvinout materiály, které by byly kdysi nezjistitelné. A ukazuje se, že je obzvláště silný pro ty, kteří se snaží napodobit vlastnosti biologické tkáně.

"S automatickým učením, můžete udělat (proces) mnohem rychleji, a to vám umožní prozkoumat tisíce až miliony dalších struktur najít, co potřebujete", Zador říká.

Metamateriály mohou být navrženy tak, aby měly různé lidi, v závislosti na jejich vnitřní struktuře - mohou se chovat jako pevné tělo nebo jako kapalina v závislosti na specifické frekvenci hlasu aplikovaného na ně, například. Ale zjištění, že požadované vnitřní struktury je stále výzvou, když se spoléháme na fyzické metody nebo simulace.

Může trvat asi rok, než se vyvine a vycvičí model IA pro tvorbu nových materiálových návrhů, říká Sid Kumar, docent materiálové vědy v TT Delft v Nizozemsku. Ale jakmile je to na místě, může to trvat minuty nebo dokonce sekundy, než systém vytvoří proveditelné návrhy.

V jednom z jejich projektů Kumar a jeho kolegové použili vnitřní záležitosti, aby přišli s metamatikou, která může být použita k vytvoření měkkých kostních implantátů k nápravě komplexních zlomenin, které jsou pro starší lidi běžné. Desky, šrouby a tyče vyrobené z titanu nebo oceli se často používají, ale kosti se ne vždy dobře hojí kolem nich. To může znamenat, že tyto implantáty nejsou řádně integrovány, takže jsou slabé.

Výzkumníci si mysleli, že měkčí materiál, který stále nabízí strukturu, může nejlépe napodobit měkkou tkáň, která se přirozeně tvoří v raném stádiu zotavení ve fraktuře. Chtěli metamater, který obsahuje webovou mikrostrukturu, ale také má vlastnosti podobné tekutině jako polymeru nebo hydrogelu. Tento měkký materiál, který může být navržen tak, aby vypadal jako tenký kruhový obvaz obsahující otvory, bude umístěn do rámu tak, aby ho živé buňky mohly kolonizovat a umožnit jeho integraci s kostí.

Počáteční fáze obnovy zlomenin je rozhodující pro úspěch", říká Xiao- Hao Qin, asistent profesora biomateriálního inženýrství na ETH Curych ve Švýcarsku a člen výzkumného týmu.

Kovové implantáty používané k nápravě zlomenin jsou také pružnější než kosti, které mohou být problematické, protože absorbují vnější síly. Kosti, které se kolem nich formují, tedy během cvičení nezažívají kmeny a mohou začít umírat.

Kumar a jeho kolegové také chtěli metamaterii, která měla stejnou formu a vlastnosti, jaké lze nalézt na okrajích dlouhých kostí, například na našich rukou a nohou. Zde má vnitřní kost stylovou strukturu podobnou té medu, známé jako trabekulární kost, která poskytuje sílu a schopnost absorbovat šoky.

V předchozím zaměstnání, Kumar a jeho kolegové zavedli novou třídu metamatials, tzv. spinodoids, které sdílejí některé důležité vlastnosti s pórem kosti. Oba mají vnitřní struktury podobné síti, která je mírně nepravidelná ve tvaru. V závislosti na tom, jak jsou řízeny, vytvářejí různé úrovně síly a tuhosti.

Tím, že algoritmus model automatického učení seznam vlastností, které hledali, jako je konkrétní tuhost stehenní kosti, Kumar a jeho kolegové byli schopni generovat spinodoid vzory, které odpovídají úzce lidské kosti. Byli schopni napodobit jeho křivku, stejně jako jeho vlastní výmol struktury, například, a jak se chová, když se na něj vztahuje síla.

To je důležité, protože možná chcete, aby byla oblast implantátu pevnější, další oblast porézní a další oblast, která podporuje růst tkáně", říká Mohammad Mizali, docent biomedicínského inženýrství na TTU Delft, který nebyl zapojen do práce.

Kumar a jeho tým byli také schopni ukázat, že design by mohl být vyroben pomocí trojrozměrných tiskových technik. Jejich dalším krokem je provést testy, abychom zjistili, jak by to fungovalo, kdyby to bylo implantováno do lidského těla.

Možná po několika letech budeme schopni vyrobit mimetické kostní implantáty", říká Kumar.

Zandpoor a jeho kolegové pokročili v hledání nemožného metamatického implantátu. Přidali do svého seznamu vlastností - tak stabilní, jak je pod tlakem a odpovídající přizpůsobit se variabilní pánvi pacienta.

Pro splnění jejich dlouhý seznam přání, Zadboor a jeho tým obdržel tři různé modely automatického učení spojit síly a společně usilovat o proveditelné metamatial. Tento přístup vyústil v několik metamatrických designů, které by byly vhodné pro použití na erekci implantátu, který by podle Zadora nebylo možné dosáhnout bez umělé inteligence, protože složitost povinnosti.

V budoucnosti může automatické učení také umožnit přizpůsobení jednotlivých kostních implantátů pacientově anatomii, což by mu mělo trvat déle, říká Zador. / Periskop/