Το κόκαλο είναι υπέροχο υλικό. Οι επιστήμονες προκαλούν τη φυσική να την μιμηθεί για πιο μόνιμες αντικαταστάσεις.

Πριν από μερικά χρόνια, ο Αμίρ Ζαδόρ έψαχνε για ένα νέο ειδικό υλικό. Χρειαζόταν κάποιον που θα γινόταν πιο παχύς όταν ήταν ξαπλωμένος, αλλά θα ήταν επίσης τόσο στερεός όσο τα κόκαλα, γράφει BBC, εκπομπή Περισκόπιο.

Ήταν ένα πολύ δύσκολο αίτημα. Σκεφτείτε τι συμβαίνει όταν τραβάτε μια ευέλικτη ζώνη και από τις δύο άκρες - καθώς εκτείνεται, η ευελιξία γίνεται όλο και πιο λεπτή. Zandpoor, ένας ορθοπεδικός καθηγητής στο Leiden University Medical Center στην Ολλανδία, και η ομάδα του χρειαζόταν κάτι που θα έκανε ακριβώς το αντίθετο. Πρέπει να αμφισβητήσει τους νόμους της φυσικής.

Το πρόβλημα που αντιμετώπισαν ήταν οι γοφοί. Οι κινητές αντικαταστάσεις είναι μια από τις συνηθέστερες ορθοπεδικές διαδικασίες που διεξάγονται παγκοσμίως. Το πρόβλημα είναι ότι οι άνθρωποι με τεχνητές λεκάνες κάνουν περίπου δύο εκατομμύρια βήματα το χρόνο, τα οποία υποβάλλουν ένα εμφύτευμα σε δυνάμεις που σταδιακά το καταναλώνουν. Μετά από μια δεκαετία ή περισσότερο χρήσης, τα εμφυτεύματα συχνά πρέπει να αντικατασταθούν.

Ο Zandpoor και οι συνάδελφοί του ήλπιζαν να λύσουν αυτό το πρόβλημα τοποθετώντας δύο διαφορετικά υλικά που φέρονται με αντίθετους τρόπους όταν βρίσκονται σε κάθε πλευρά της βάσης ενός εμφυτεύματος - ένα που γίνεται παχύτερο όταν συμπιέζεται και το άλλο που είναι παχύτερο όταν ξαπλώνει. Αυτό θα βοηθούσε να μαλακώσει το μηριαίο οστό όταν ο κόμπος ήταν υπό πίεση και θα εξασφάλιζε ότι το εμφύτευμα παραμένει σταθερά στερεωμένο στο οστό.

Αυτό θα ενίσχυε τη σύνδεση μεταξύ του οστού και της εμφύτευσης", αναφέρει ο Ζάντορ. Όλη η έρευνά τους είχε προτείνει ότι θα πετύχει. Εκτός του ότι υπήρχε ένα άλλο εμπόδιο - μερικά γνωστά υλικά που γίνονται παχύτερα όταν ξαπλώνουν και ονομάζονται βοηθητικά υλικά τείνουν να είναι μαλακά και ευέλικτα. Χρησιμοποιούνται σε κράνη και ασπίδες γόνατος, για παράδειγμα.

"Προσπαθούσαμε να βρούμε αυτό το ιερό δισκοπότηρο αυθεντικότητας και επίσης μια υψηλή ακαμψία για να μπορούμε να κουβαλάμε φορτία", λέει ο Zadpoor. "Αυτό γίνεται τρομακτικό κυνήγι. "

Η αυτόματη μάθηση μπορεί επίσης να επιτρέψει την προσαρμογή μεμονωμένων εμφυτευμάτων οστών στην ανατομία του ασθενούς.

Η ομάδα στράφηκε στην τεχνητή νοημοσύνη για βοήθεια. Χρησιμοποιώντας ένα σύστημα IA εκπαιδευμένο να προβλέπει πώς διάφορα υλικά μπορούν να συμπεριφερθούν, ήταν σε θέση να περιλαμβάνουν συγκεκριμένες ιδιότητες που επιθυμούσαν. Το μηχάνημα επέστρεψε με ένα σχέδιο για κάτι γνωστό ως"mater" - υλικά που μπορούν να τροποποιηθούν για να έχουν παράξενες ιδιότητες με την αλλαγή της μικροσκοπικής δομής τους.

Το έργο τους είναι μόνο ένα παράδειγμα του πώς οι επιστήμονες απευθύνονται όλο και περισσότερο στις ΕΥ για να τους βοηθήσουν να αναπτύξουν υλικά που κάποτε θα ήταν μη ανιχνεύσιμα. Και αποδεικνύεται ιδιαίτερα ισχυρό για όσους προσπαθούν να μιμηθούν τις ιδιότητες του βιολογικού ιστού.

Με την αυτόματη μάθηση, μπορείτε να κάνετε (τη διαδικασία) πολύ πιο γρήγορα και αυτό σας επιτρέπει να εξερευνήσετε χιλιάδες έως εκατομμύρια άλλες δομές για να βρείτε αυτό που χρειάζεστε", Zador λέει.

Τα μεταϋλικά μπορούν να σχεδιαστούν για να έχουν μια ποικιλία ανθρώπων, ανάλογα με την εσωτερική τους δομή - μπορούν να συμπεριφέρονται σαν στερεό σώμα ή ως υγρό ανάλογα με μια συγκεκριμένη συχνότητα της φωνής που εφαρμόζεται πάνω τους, για παράδειγμα. Αλλά η εύρεση αυτής της επιθυμητής εσωτερικής δομής εξακολουθεί να αποτελεί πρόκληση όταν βασιζόμαστε σε φυσικές μεθόδους ή προσομοιώσεις.

Μπορεί να πάρει περίπου ένα χρόνο για να αναπτυχθεί και να εκπαιδευτεί ένα μοντέλο IA για να δημιουργήσει νέα σχέδια υλικών, λέει ο Σιντ Κουμάρ, αναπληρωτής καθηγητής της επιστήμης υλικών στο ΤΤ Ντελφτ της Ολλανδίας. Αλλά μόλις αυτό είναι στη θέση του, μπορεί να χρειαστούν λεπτά ή ακόμη και δευτερόλεπτα για να δημιουργήσει το σύστημα εφικτά σχέδια.

Σε ένα από τα έργα τους, ο Κουμάρ και οι συνάδελφοί του χρησιμοποίησαν την ΙΑ για να βρουν ένα μεταματικό που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να δημιουργήσουν μαλακά εμφυτεύματα οστών για την επισκευή σύνθετων καταγμάτων, τα οποία είναι κοινά στους ηλικιωμένους. Συχνά χρησιμοποιούνται πλάκες, βίδες και ράβδοι από τιτάνιο ή χάλυβα, αλλά τα οστά δεν θεραπεύονται πάντα καλά γύρω τους. Αυτό μπορεί να σημαίνει ότι αυτά τα εμφυτεύματα δεν είναι κατάλληλα ενσωματωμένα, αφήνοντάς τα αδύναμα.

Οι ερευνητές θεώρησαν ότι ένα μαλακότερο υλικό που προσφέρει ακόμα τη δομή θα μπορούσε να μιμηθεί καλύτερα τον μαλακό ιστό που σχηματίζεται φυσικά σε πρώιμα στάδια της ανάρρωσης σε ένα κάταγμα. Ήθελαν ένα μεταμάτερ που περιλαμβάνει μια weblike μικροδομή, αλλά έχει και ιδιότητες παρόμοιες με ρευστό ως πολυμερές ή υδρογέλη. Αυτό το μαλακό υλικό, το οποίο μπορεί να σχεδιαστεί για να μοιάζει με ένα λεπτό κυκλικό επίδεσμο που περιέχει τρύπες, θα τοποθετηθεί σε ένα πλαίσιο ώστε τα ζωντανά κύτταρα να μπορούν να το αποικίσουν και να του επιτρέψουν να ενσωματωθεί με το οστό.

Η πρώιμη φάση της ανάκτησης των καταγμάτων είναι ζωτικής σημασίας για την επιτυχία", λέει ο Xiao-Hao Qin, βοηθός καθηγητή της μηχανικής βιοϋλικών στο ETH Ζυρίχης στην Ελβετία και μέλος της ερευνητικής ομάδας.

Τα μεταλλικά εμφυτεύματα που χρησιμοποιούνται για την επισκευή καταγμάτων είναι επίσης πιο ευέλικτα από το οστό, το οποίο μπορεί να είναι προβληματικό επειδή απορροφούν εξωτερικές δυνάμεις. Γι ’ αυτό, τα οστά που σχηματίζονται γύρω τους δεν υφίστανται καταπονήσεις κατά τη διάρκεια της άσκησης και μπορεί να αρχίσουν να πεθαίνουν.

Έτσι ο Κουμάρ και οι συνάδελφοί του ήθελαν επίσης ένα μεταϋλικό που είχε την ίδια μορφή και ιδιότητες όπως μπορεί να βρεθεί στις άκρες των μακρών οστών, όπως αυτές στα χέρια και στα πόδια μας. Εδώ, το εσωτερικό οστό έχει μια κομψή δομή παρόμοια με εκείνη του μελιού που δανείζεται, γνωστή ως το τραβηκτικό οστό, το οποίο παρέχει δύναμη και την ικανότητα απορρόφησης κραδασμών.

Στην προηγούμενη δουλειά, ο Κουμάρ και οι συνάδελφοί του είχαν εισαγάγει μια νέα τάξη μεταματίων, που ονομάζονται spinodoids, που μοιράζονται κάποια σημαντικά χαρακτηριστικά με το πορώδες οστό. Και οι δύο έχουν εσωτερικές δομές παρόμοιες με ένα δίχτυ που είναι ελαφρώς ακανόνιστο σε σχήμα. Ανάλογα με τον τρόπο διαχείρισης αυτών, δημιουργούν διαφορετικά επίπεδα δύναμης και ακαμψίας.

Δίνοντας σε έναν αλγόριθμο το μοντέλο της αυτόματης μάθησης μια λίστα των ιδιοτήτων που έψαχναν, όπως η ειδική ακαμψία ενός οστού μηριαίου οστού, ο Κουμάρ και οι συνάδελφοί του ήταν σε θέση να δημιουργήσουν σχέδια σπινοδοΐδης που συμμορφώνονται στενά με το ανθρώπινο οστό. Μπορούσαν να μιμηθούν την καμπυλότητά του καθώς και τη δική του δομή λακκούβας, για παράδειγμα, και πώς συμπεριφέρεται όταν μια δύναμη εφαρμόζεται σε αυτήν.

Αυτό είναι σημαντικό επειδή ίσως θέλετε μια περιοχή του εμφυτεύματος να είναι πιο άκαμπτη, μια άλλη περιοχή να είναι πιο πορώδης και μια άλλη περιοχή να ενθαρρύνει την ανάπτυξη των ιστών", λέει ο Mohammad Mizali, ένας αναπληρωτής καθηγητής βιοϊατρικής μηχανικής στο TTU Delft, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία.

Ο Κουμάρ και η ομάδα του ήταν επίσης σε θέση να δείξουν ότι ο σχεδιασμός θα μπορούσε να παραχθεί χρησιμοποιώντας τρισδιάστατες τεχνικές εκτύπωσης. Το επόμενο βήμα τους είναι να κάνουν εξετάσεις για να καταλάβουν πώς θα λειτουργούσε αν εμφυτεύονταν στο ανθρώπινο σώμα.

Ίσως μετά από μερικά χρόνια, να μπορέσουμε να κάνουμε εμμετικά εμφυτεύματα οστών", λέει ο Kumar.

Ο Zandpoor και οι συνάδελφοί του προχώρησαν με την αναζήτησή τους για να βρουν ένα αδύνατο μεταματολογικό για εμφυτεύματα ισχίου. Έχουν προσθέσει στον κατάλογο των ιδιοτήτων τους - τόσο σταθερές όσο υπό πίεση και επαρκείς για να προσαρμοστούν στη μεταβλητή λεκάνη του ασθενούς.

Για να ανταποκριθούν στη μακρά λίστα επιθυμιών τους, ο Zadpoor και η ομάδα του έλαβαν τρία διαφορετικά μοντέλα αυτόματης μάθησης για να ενώσουν τις δυνάμεις τους και να αναζητήσουν από κοινού ένα εφικτό μεταματιακό. Αυτή η προσέγγιση είχε ως αποτέλεσμα αρκετά μεταθεματικά σχέδια που θα ήταν κατάλληλα για χρήση σε ένα εμφύτευμα με κόκκαλα, το οποίο ο Ζάντορ αναφέρει ότι θα ήταν αδύνατο να επιτευχθεί χωρίς τεχνητή νοημοσύνη λόγω της πολυπλοκότητας του καθήκοντος.

Στο μέλλον, η αυτόματη μάθηση μπορεί επίσης να επιτρέψει την προσαρμογή των μεμονωμένων εμφυτευμάτων οστών στην ανατομία του ασθενούς, η οποία θα πρέπει να τον κάνει να διαρκέσει περισσότερο, λέει ο Zador. Περισκόπιο/