Kość to wspaniały materiał. Naukowcy wyzywają fizykę, by naśladować ją na stałe.

Kilka lat temu Amir Zador szukał nowego specjalnego materiału. Potrzebował kogoś, kto byłby grubszy, gdy leżał, ale także stałby jak kości, pisze BBC, transmisja Peryskop.

To była bardzo trudna prośba. Pomyśl o tym, co się dzieje, gdy wyciągniesz elastyczny pas z obu końców - jak się rozszerza, elastyczność staje się coraz bardziej cienka. Zandpoor, profesor ortopedy w Leiden University Medical Center w Holandii, a jego zespół potrzebował czegoś, co zrobiłoby coś zupełnie przeciwnego. Powinien prawie zakwestionować prawa fizyki.

Problemem, z którym się zmagali były biodra. Mobilne wymiany są jedną z najczęstszych procedur ortopedycznych prowadzonych na całym świecie. Problem polega na tym, że ludzie ze sztucznymi basenami podejmują około dwóch milionów kroków rocznie, co poddaje implant siłom, które stopniowo go konsumują. Po dziesięcioleciu lub więcej zastosowań implanty często muszą zostać zastąpione.

Zandpoor i jego koledzy mieli nadzieję rozwiązać ten problem, umieszczając dwa różne materiały, które są sprowadzane w przeciwny sposób, gdy leżą po każdej stronie podstawy implantu - jeden, który staje się grubszy, gdy jest ściśnięty, a drugi, który jest grubszy, gdy leży. Pomogłoby to zmiękczyć kość udową, gdy węzeł znajdował się pod presją i zapewniłoby, że implant pozostaje mocno przymocowany do kości.

To wzmocniłoby związek pomiędzy kością a implantem", mówi Zador. Wszystkie ich badania sugerowały, że to zadziała. Oprócz tego, że istniała inna przeszkoda - niektóre znane materiały, które stają się grubsze, gdy kłaść się zwanych materiałów pomocniczych wydają się być miękkie i elastyczne. Są one stosowane na przykład w hełmach i osłonach kolana.

"Próbowaliśmy znaleźć ten święty graal autentyczności, a także wysoką sztywność, aby móc przewozić ładunki", Zadpoor mówi. "Staje się to przerażającym polowaniem.

Automatyczne uczenie się może również umożliwić dostosowanie indywidualnych implantów kości do anatomii pacjenta.

Zespół zwrócił się do sztucznej inteligencji o pomoc. Korzystanie z systemu IA przeszkolonego w celu przewidywania, jak różne materiały mogą być zachowane, były one w stanie zawierać określone właściwości, które chcą. Maszyna powróciła z projektem dla czegoś znanego jako"mater" - materiałów, które mogą być modyfikowane tak, aby miały dziwne właściwości poprzez zmianę ich struktury mikroskopowej.

Ich praca jest tylko jednym z przykładów tego, jak naukowcy coraz częściej zajmują się oceną oddziaływania, aby pomóc im w opracowaniu materiałów, które niegdyś byłyby niewykrywalne. I okazuje się być szczególnie potężny dla tych, którzy próbują naśladować właściwości tkanki biologicznej.

"Z automatycznym uczeniem się, można uczynić (proces) znacznie szybciej i to pozwala na zbadanie tysięcy do milionów innych struktur, aby znaleźć to, czego potrzebujesz", Zador mówi.

Metamateriały mogą być zaprojektowane tak, aby mieć różne osoby, w zależności od ich struktury wewnętrznej - mogą zachowywać się jak ciało stałe lub jako płyn w zależności od określonej częstotliwości głosu na nich, na przykład. Ale znalezienie pożądanej struktury wewnętrznej nadal stanowi wyzwanie, gdy polegamy na fizycznych metodach lub symulacjach.

Może to zająć około roku, aby opracować i wyszkolić model IA do generowania nowych wzorów materiałów, mówi Sid Kumar, stowarzyszony profesor nauk materialnych w TT Delft w Holandii. Ale kiedy to jest na miejscu, może to zająć minuty lub nawet sekundy, aby system generować wykonalne projekty.

W jednym ze swoich projektów Kumar i jego koledzy wykorzystali IA do opracowania metamatiala, który może być wykorzystany do tworzenia miękkich implantów kości do naprawy złożonych złamań, które są wspólne dla osób starszych. Płyty, śruby i pręty wykonane z tytanu lub stali są często używane, ale kości nie zawsze dobrze się wokół nich goją. Może to oznaczać, że implanty te nie są odpowiednio zintegrowane, pozostawiając je słabym.

Naukowcy myśleli, że miękki materiał, który nadal oferuje strukturę może najlepiej naśladować tkanki miękkiej, która naturalnie formuje się we wczesnych stadiach regeneracji złamania. Chcieli metamater, który zawiera mikrostrukturę weblike, ale ma również właściwości podobne do płynu jak polimer lub hydrożel. Ten miękki materiał, który może być zaprojektowany tak, aby wyglądał jak cienki okrągły bandaż zawierający otwory, zostanie umieszczony w ramce tak, że żywe komórki mogą go kolonizować i pozwolić mu zintegrować się z kością.

Wczesna faza odzyskiwania złamań ma kluczowe znaczenie dla sukcesu", mówi Xiao-Hao Qin, asystent profesora inżynierii biomateriałowej w ETH Zurich w Szwajcarii i członek zespołu badawczego.

Metalowe implanty używane do naprawy złamań są również bardziej elastyczne niż kości, co może być problematyczne, ponieważ absorbują siły zewnętrzne. Stąd, kości, które tworzą się wokół nich nie doświadczają szczepów podczas ćwiczeń i mogą zacząć umierać.

Kumar i jego koledzy chcieli również metamaterialia o takiej samej formie i właściwościach, jakie można znaleźć na krawędziach kości długich, takich jak te na naszych rękach i stopach. Tutaj, kość wewnętrzna ma stylową strukturę podobną do tej, którą pożycza miód, znany jako kość bębenkowa, która zapewnia siłę i zdolność do absorbowania wstrząsów.

W poprzedniej pracy Kumar i jego koledzy wprowadzili nową klasę metamatików, zwanych spinodoidami, które mają pewne ważne cechy z kości porese. Oba mają struktury wewnętrzne podobne do sieci, która jest nieco nieregularna w kształcie. W zależności od sposobu zarządzania, tworzą one różne poziomy siły i sztywności.

Dając algorytmowi model automatycznego uczenia się listy właściwości, których szukali, takich jak szczególna sztywność kości udowej, Kumar i jego koledzy byli w stanie generować projekty spinodoide, które są ściśle zgodne z ludzką kością. Byli w stanie naśladować jego curture, jak również własną strukturę otworów, na przykład, i jak zachowuje się, gdy siła ma do niego zastosowanie.

Jest to ważne, ponieważ można chcieć, aby region implantu był bardziej sztywny, inny region bardziej porowaty i inny region, aby zachęcić do wzrostu tkanki", mówi Mohammad Mizali, profesor biomedycyny w TTU Delft, który nie był zaangażowany w pracę.

Kumar i jego zespół byli również w stanie pokazać, że projekt może być produkowany przy użyciu trójwymiarowych technik drukowania. Ich następnym krokiem jest przeprowadzenie testów, aby dowiedzieć się, jak to działa, jeśli zostanie wszczepiony do ludzkiego ciała.

Być może po kilku latach, będziemy w stanie zrobić mimetyczne implanty kości", mówi Kumar.

Zandpoor i jego koledzy ruszyli naprzód w poszukiwaniu niemożliwego metamatiala dla implantów biodra. Dodali oni do swojej listy właściwości - tak stabilnych, jak długo pod wpływem stresu i odpowiednich do przystosowania się do zmiennego basenu pacjenta.

Aby spełnić ich długą listę życzeń, Zadpoor i jego zespół otrzymali trzy różne modele automatycznego uczenia się, aby połączyć siły i wspólnie szukać wykonalnego metamatiala. To podejście doprowadziło do kilku metametrycznych wzorów, które byłyby odpowiednie do użycia na implancie wzwodu, co Zador twierdzi, że byłoby niemożliwe do osiągnięcia bez sztucznej inteligencji ze względu na złożoność obowiązku.

W przyszłości automatyczne uczenie się może również umożliwić dostosowanie indywidualnych implantów kości do anatomii pacjenta, co powinno sprawić, że będzie dłużej, mówi Zador. / Peryskop/