העצם הוא חומר נפלא. מדענים מאתגרים את הפיזיקה כדי לחקות אותה להחלפה קבועה יותר.

לפני כמה שנים, אמיר זדור חיפש חומר מיוחד חדש. הוא היה צריך מישהו שיגדל עבה יותר כשהוא ישכב, אבל הוא היה חזק כמו עצמות, כותב. BBCשידור המונחים.

זו הייתה בקשה קשה מאוד. תחשוב על מה שקורה כאשר אתה מושך חגורה גמישה משני הקצוות - כפי שהוא מתרחב, הגמישות הופכת תמיד רזה יותר. Zandpoor, פרופסור אוטופודי במרכז הרפואי של אוניברסיטת לידן בהולנד, וצוותו היה צריך משהו שיעשה בדיוק את ההיפך. הוא צריך לאתגר כמעט את חוקי הפיזיקה.

הבעיה שהם מתמודדים הייתה הירכיים. תחליפים ניידים הם אחד התהליכים האוטופיים הנפוצים ביותר שבוצעו ברחבי העולם. הבעיה היא שאנשים עם אגן מלאכותיים לוקחים בערך שני מיליון צעדים בשנה, אשר נושאים השתל לכוחות לצרוך אותו בהדרגה. לאחר עשור או יותר של שימוש, יש להחליף שתלים לעתים קרובות.

Zandpoor ועמיתיו קיוו לפתור בעיה זו על ידי הצבת שני חומרים שונים שהובאו בדרכים מנוגדות כאשר הם שוכבים על כל צד של הבסיס של השתל - אחד שהופך עבה יותר כאשר דחוס והשני הוא עבה יותר כאשר שוכב למטה. זה יעזור לרכך את העובר כאשר הקשר היה תחת לחץ ולהבטיח כי השתל נותר קבוע היטב על העצם.

זה יחזק את הקשר בין העצם ל-"implant, אומר זדור. כל המחקרים שלהם הציעו שזה יעבוד. למעט היה מכשול נוסף - כמה חומרים ידועים כי להיות עבה יותר כאשר הם שוכבים בשם חומרים קוסמטיים נוטים להיות רך וגמיש. הם משמשים קסדות ומגינים בברך, למשל.

"ניסינו למצוא את הגביע הקדוש של האותנטיות וגם קשיחות גבוהה להיות מסוגל לשאת עומס", אומר זדור. "זה הופך להיות צייד מפחיד. "

למידה אוטומטית יכולה גם לאפשר להתאים שתלים בודדים לאנטומיה של המטופל.

הצוות פנה למודיעין מלאכותי לסיוע. באמצעות מערכת IA מאומנת לחזות כמה חומרים שונים ניתן להתנהג, הם יכלו לכלול תכונות ספציפיות שהם רוצים. המכונה חזרה עם עיצוב עבור משהו המכונה"mater" - חומרים שניתן לשנות כדי שיש תכונות מוזרות על ידי שינוי המבנה המיקרוסקופי שלהם.

העבודה שלהם היא רק דוגמא אחת לאופן שבו מדענים מטפלים יותר ויותר ב-IA כדי לעזור להם לפתח חומרים שפעם היו בלתי ניתנים לגילוי. וזה מוכיח להיות חזק במיוחד עבור אלה שמנסים לחקות את המאפיינים של רקמת ביולוגית.

עם למידה אוטומטית, אתה יכול לעשות (התהליך) הרבה יותר מהיר וזה מאפשר לך לחקור אלפי מיליוני מבנים אחרים כדי למצוא את מה שאתה צריך", אומר זדור.

ניתן לתכנן מטא-חומרים שיש להם מגוון רחב של אנשים, בהתאם למבנה הפנימי שלהם - הם יכולים להתנהג כמו גוף מוצק או כנוזל בהתאם לתדירות מסוימת של הקול המופעל עליהם, למשל. אבל מציאת המבנה הפנימי הרצוי הוא עדיין אתגר כאשר אנו מסתמכים על שיטות פיזיות או סימולציות.

זה יכול לקחת בערך שנה כדי לפתח ול להכשיר מודל IA לייצר עיצובים חדשים של חומרים, אומר סיד קומאר, פרופסור עמית למדע חומרים ב TT Delft בהולנד. אבל ברגע שזה במקום, זה עשוי לקחת דקות או אפילו שניות עבור המערכת כדי ליצור עיצובים אפשריים.

באחד הפרויקטים שלהם, קומאר ועמיתיו השתמשו ב- IA כדי להגיע עם metamatial שניתן להשתמש בו כדי ליצור שתלים עצם רכים כדי לתקן שברים מורכבים, אשר נפוצים לקשישים. לוחות, ברגים ומכרסמים עשויים טיטניום או פלדה משמשים לעתים קרובות, אבל עצמות לא תמיד לרפא היטב סביבם. ייתכן כי שתלים אלה אינם משולבים כראוי, משאירים אותם חלשים.

החוקרים חשבו כי חומר רך יותר שעדיין מציע את המבנה יכול לחקות את הרקמות הרכות שצורות טבעיות בשלבים המוקדמים של התאוששות בשבר. הם רצו metamater הכולל מיקרו-מבנה אינטרנטי, אבל יש לו גם תכונות דומות לנוזל כמו פולימר או הידרוג'ל. חומר רך זה, אשר יכול להיות מתוכנן להיראות כמו להקה מעגלית דקה המכילה חורים, יוצב בתוך מסגרת כך תאים חיים יכולים ליישב אותו ולאפשר לו להשתלב עם העצם.

השלב המוקדם של שחזור שבר הוא חיוני להצלחה", אומר שיאו-האו צ'ין, פרופסור להנדסה ביו-חומרית באוניברסיטת ציריך וחבר צוות המחקר.

שתלי המתכת המשמשים לתיקון שברים הם גם גמישים יותר מאשר העצם, אשר יכול להיות בעייתי כי הם סופגים כוחות חיצוניים. לכן, העצמות המתגבשות סביבן אינן חווה זנים במהלך האימון ועשויות להתחיל למות.

אז קומאר ועמיתיו רצו גם מטבולית שהייתה בעלת אותה צורה ונכסים כפי שניתן למצוא בשולי עצמות ארוכות, כמו אלה על הידיים והרגליים שלנו. כאן, העצם הפנימית יש מבנה מסוגנן דומה לזה של הלווה של הדבש, הידוע בשם העצם הטרקלין, המספק כוח ויכולת לספוג זעזועים.

בעבודה הקודמת, קומאר ועמיתיו הציגו מעמד חדש של מטמטאלים, הנקרא ספיןודואידים, שחולקים כמה מאפיינים חשובים עם העצם הנקבובית. לשתיהן מבנים פנימיים דומים לרשת שאינה סדירה במקצת. בהתאם לאופן שבו הם מנוהלים, הם יוצרים רמות שונות של כוח ונוקשות.

על ידי מתן אלגוריתם המודל של למידה אוטומטית רשימה של תכונות שהם חיפשו, כגון הקשיחות הספציפית של עצם עוברי, קומאר ועמיתיו היו מסוגלים לייצר עיצובי תרדודה התואמים קרוב העצם האנושית. הם הצליחו לחקות את תקרתו, כמו גם את מבנה החילוף שלו, למשל, וכיצד הוא מתנהג כאשר כוח חל עליו.

זה חשוב כי ייתכן שתרצה אזור של השתל להיות נוקשה יותר, אזור אחר להיות יותר porous ואזור אחר לעודד צמיחה של רקמות", אומר מוחמד מיזאלי, פרופסור עמית להנדסה ביו-רפואית ב TTU Delft, שלא היה מעורב בעבודה.

קומאר וצוותו הצליחו גם להראות שניתן לייצר עיצוב באמצעות טכניקות הדפסה תלת-ממדיות. הצעד הבא שלהם הוא להפעיל בדיקות כדי להבין איך זה יעבוד אם זה היה מושתל לתוך הגוף האנושי.

אולי אחרי כמה שנים נוכל להכין שתלים של עצמות מימטיות", אומר קומאר.

Zandpoor ועמיתיו התקדמו עם המסע שלהם כדי למצוא מטבולית בלתי אפשרית עבור שתלים הירך. הם הוסיפו לרשימת הנכסים שלהם - יציבה כל עוד תחת לחץ ומספיקה להסתגל לאגן המשתנה של המטופל.

כדי לענות על רשימת המשאלות הארוכה שלהם, זדור והצוות שלו קיבלו שלושה מודלים שונים של למידה אוטומטית להצטרף לכוחות ולחפש במשותף מטאמציה אפשרית. גישה זו הביאה כמה עיצובים metamatrical כי יהיה מתאים לשימוש על השתל העצם, אשר זדור אומר יהיה בלתי אפשרי להשיג ללא אינטליגנציה מלאכותית בגלל המורכבות של החובה.

בעתיד, למידה אוטומטית יכולה גם לאפשר להתאים שתלים בודדים לאנטומיה של המטופל, שאמור להפוך אותו לארוך יותר, אומר זדור. המונחים/ / / /