Bone ist ein wunderbares Material. Wissenschaftler fordern die Physik auf, sie für mehr Dauerersatz zu imitieren.

Vor ein paar Jahren suchte Amir Zador ein neues Spezialmaterial. Er brauchte jemanden, der dicker werden würde, wenn er lag, aber er wäre auch so fest wie Knochen, schreibt BBC, ausgestrahlt Periskop.

Es war eine sehr schwierige Bitte. Denken Sie daran, was passiert, wenn Sie einen flexiblen Gürtel von beiden Enden ziehen - während er sich auszieht, wird die Flexibilität immer dünner. Zandpoor, Orthopädieprofessor am Universitätsklinikum Leiden in den Niederlanden, und sein Team brauchte etwas, das genau das Gegenteil tun würde. Er sollte fast die Gesetze der Physik herausfordern.

Das Problem waren die Hüften. Mobile Austausche sind eine der häufigsten orthopädischen Verfahren weltweit durchgeführt. Das Problem ist, dass Menschen mit künstlichen Becken etwa zwei Millionen Schritte pro Jahr, die ein Implantat zu Kräften, die nach und nach verbrauchen. Nach einem Jahrzehnt oder mehr Gebrauch müssen Implantate oft ersetzt werden.

Zandpoor und seine Kollegen hofften, dieses Problem zu lösen, indem sie zwei unterschiedliche Materialien platzierten, die in entgegengesetzter Weise gebracht werden, wenn sie auf jeder Seite der Basis eines Implantats liegen - eine, die dicker wird, wenn sie komprimiert werden und die andere, die dicker beim Liegen ist. Dies würde helfen, das Femur zu weich zu machen, wenn der Knoten unter Druck stand und sicherstellen würde, dass das Implantat fest am Knochen befestigt bleibt.

Dies würde die Verbindung zwischen dem Knochen und dem"Implant verstärken, sagt Zador. Alle ihre Forschung hatte vorgeschlagen, es würde funktionieren. Außer es gab ein weiteres Hindernis - einige bekannte Materialien, die dicker werden, wenn sie sich hinlegen genannt auxetic Materialien neigen dazu, weich und flexibel zu sein. Sie werden beispielsweise in Helmen und Knieschilden eingesetzt.

"Wir haben versucht, diesen heiligen Gral der Authentizität zu finden und auch eine hohe Steifigkeit, um Lasten tragen zu können", Zadpoor sagt. "Dies wird zu einer erschreckenden Jagd. "

Automatisches Lernen kann auch die Anpassung einzelner Knochenimplantate an die Anatomie des Patienten ermöglichen.

Das Team wandte sich an künstliche Intelligenz für Hilfe. Mit Hilfe eines IA-Systems, das geschult wurde, um vorherzusagen, wie sich verschiedene Materialien verhalten können, konnten sie spezifische Eigenschaften enthalten, die sie wünschten. Die Maschine kehrte mit einem Design für etwas bekannt als"mater" - Materialien, die verändert werden können, um seltsame Eigenschaften durch Änderung ihrer mikroskopischen Struktur.

Ihre Arbeit ist nur ein Beispiel dafür, wie Wissenschaftler die IA zunehmend ansprechen, um ihnen dabei zu helfen, Materialien zu entwickeln, die einmal nicht nachweisbar wären. Und es erweist sich als besonders mächtig für diejenigen, die versuchen, die Eigenschaften des biologischen Gewebes nachzuahmen.

"Mit dem automatischen Lernen können Sie (der Prozess) viel schneller machen und das ermöglicht es Ihnen, Tausende bis Millionen anderer Strukturen zu erkunden, um zu finden, was Sie brauchen", Zador sagt.

Metamaterialien können für eine Vielzahl von Personen entwickelt werden, abhängig von ihrer inneren Struktur - sie können sich wie ein fester Körper oder als Flüssigkeit verhalten, abhängig von einer bestimmten Frequenz der auf sie angewendeten Stimme, zum Beispiel. Aber das Finden dieser gewünschten inneren Struktur ist immer noch eine Herausforderung, wenn wir uns auf physikalische Methoden oder Simulationen verlassen.

Es kann etwa ein Jahr dauern, ein IA-Modell zu entwickeln und zu trainieren, um neue Materialdesigns zu generieren, sagt Sid Kumar, ein assoziierter Professor für Materialwissenschaft an der TT Delft in den Niederlanden. Aber sobald dies vorhanden ist, kann es Minuten oder sogar Sekunden dauern, bis das System machbare Designs erzeugt.

In einem ihrer Projekte haben Kumar und seine Kollegen mit der IA ein Metamatial entwickelt, das dazu genutzt werden kann, weiche Knochenimplantate zu erstellen, um komplexe Frakturen zu reparieren, die für ältere Menschen üblich sind. Platten, Schrauben und Stäbe aus Titan oder Stahl werden oft verwendet, aber die Knochen heilen nicht immer gut um sie herum. Dies kann bedeuten, dass diese Implantate nicht richtig integriert sind, so dass sie schwach sind.

Forscher dachten, dass ein weicheres Material, das noch die Struktur bietet, am besten das Weichteil imitieren könnte, das sich natürlich in frühen Stadien der Erholung in einem Bruch bildet. Sie wollten einen Metamater, der eine webartige Mikrostruktur enthält, aber es hat auch Eigenschaften ähnlich wie Flüssigkeit wie ein Polymer oder Hydrogel. Dieses weiche Material, das so gestaltet werden kann, dass es wie ein dünner Ringband mit Löchern aussieht, wird in einem Rahmen platziert, so dass lebende Zellen es kolonisieren und in den Knochen integrieren können.

Die frühe Phase der Frakturrückgewinnung ist entscheidend für den Erfolg", sagt Xiao-Hao Qin, Assistenzprofessor für Biomaterialtechnik an der ETH Zürich in der Schweiz und Mitglied des Forschungsteams.

Auch die Metallimplantate zur Reparatur von Frakturen sind flexibler als der Knochen, was problematisch sein kann, weil sie äußere Kräfte aufnehmen. Die Knochen, die sich um sie herum bilden, erfahren daher während der Übung keine Stämme und können anfangen zu sterben.

So wollten Kumar und seine Kollegen auch ein Metamaterial, das die gleiche Form und Eigenschaften hatte wie an den Rändern der langen Knochen, wie z.B. an unseren Armen und Füßen. Hier hat der innere Knochen eine stilvolle Struktur ähnlich dem des Honigs, bekannt als trabekularer Knochen, der Kraft und die Fähigkeit zur Aufnahme von Schocks bietet.

In der bisherigen Arbeit hatten Kumar und seine Kollegen eine neue Klasse von Metamatorien eingeführt, die Spinodoide genannt wurden, die einige wichtige Merkmale mit dem Poresenknochen teilen. Beide haben innere Strukturen ähnlich einem Netz, das leicht unregelmäßig in Form ist. Je nachdem, wie diese verwaltet werden, schaffen sie unterschiedliche Kraft- und Steifigkeitsstufen.

Durch die Bereitstellung eines Algorithmus das Modell des automatischen Lernens eine Liste von Eigenschaften, die sie suchten, wie die spezifische Steifigkeit eines Femurknochens, Kumar und seine Kollegen konnten Spinodoide-Designs erzeugen, die eng mit menschlichen Knochen übereinstimmen. Sie konnten z.B. seine Kurtur sowie ihre eigene Schlaglochstruktur nachahmen und wie sie sich verhält, wenn eine Kraft auf sie zutrifft.

Dies ist wichtig, weil Sie vielleicht wollen, dass eine Region des Implantats starrer, eine andere Region poröser und eine andere Region, um das Wachstum von Gewebe zu fördern", sagt Mohammad Mizali, ein assoziierter Professor für biomedizinische Technik an der TTU Delft, der nicht an der Arbeit beteiligt war.

Kumar und sein Team konnten auch zeigen, dass Design mit dreidimensionalen Drucktechniken hergestellt werden konnte. Ihr nächster Schritt ist es, Tests durchzuführen, um herauszufinden, wie es funktionieren würde, wenn es in den menschlichen Körper implantiert würde.

Vielleicht nach ein paar Jahren werden wir in der Lage sein, mimetische Knochenimplantate zu machen", sagt Kumar.

Zandpoor und seine Kollegen haben ihre Suche nach einem unmöglichen Metamational für Hüftimplantate vorangetrieben. Sie haben ihre Liste der Eigenschaften hinzugefügt - so stabil wie unter Stress und ausreichend, um sich an das variable Becken des Patienten anzupassen.

Um ihrer langen Wunschliste gerecht zu werden, erhielten Zadpoor und sein Team drei verschiedene Modelle des automatischen Lernens, um sich zusammenzutun und gemeinsam nach einem machbaren Metamational zu suchen. Dieser Ansatz führte zu mehreren metamatralischen Entwürfen, die für die Verwendung auf einem Knochenimplantat geeignet wären, was Zador aufgrund der Komplexität der Pflicht ohne künstliche Intelligenz unmöglich zu erreichen sei.

In Zukunft kann das automatische Lernen auch die Anpassung einzelner Knochenimplantate an die Anatomie des Patienten ermöglichen, was ihn länger halten sollte, sagt Zador. / Periskop/