Osul e un material minunat. Oamenii de ştiinţă provoacă fizica să o imite pentru mai multe înlocuiri permanente.

Acum câţiva ani, Amir Zador căuta un nou material special. Avea nevoie de cineva care să crească mai gros atunci când a întins, dar el ar fi, de asemenea, la fel de solid ca oasele, scrie BBC, difuzat Periscop.

A fost o cerere foarte dificilă. Gândiți-vă la ce se întâmplă atunci când trageți o centură flexibilă de la ambele capete - pe măsură ce se extinde, flexibilitatea devine tot mai subțire. Zandpoor, profesor de ortopedie la Leiden University Medical Center din Olanda, iar echipa sa avea nevoie de ceva care să facă exact opusul. Ar trebui să conteste legile fizicii.

Problema cu care se confruntau erau şoldurile. Înlocuirile mobile sunt una dintre cele mai frecvente proceduri ortopedice efectuate la nivel mondial. Problema este că oamenii cu bazine artificiale iau aproximativ două milioane de pași pe an, care supune un implant forțelor care o consumă treptat. După un deceniu sau mai mult de utilizare, implanturile trebuie adesea înlocuite.

Zandpoor şi colegii săi sperau să rezolve această problemă prin plasarea a două materiale diferite care sunt aduse în moduri opuse atunci când se află pe fiecare parte a bazei unui implant - unul care devine mai gros atunci când comprimat şi celălalt care este mai gros atunci când culcat. Acest lucru ar ajuta la înmuierea femurului atunci când nodul a fost sub presiune și s-ar asigura că implantul rămâne ferm fixat pe os.

Aceasta ar consolida legătura dintre os şi implant, spune Zador. Toate cercetările lor au sugerat că va merge. Cu excepția faptului că a existat un alt obstacol - unele materiale cunoscute care devin mai groase atunci când se întind numite materiale auxetice tind să fie moi și flexibile. Acestea sunt folosite în căști și scuturi genunchi, de exemplu.

Am încercat să găsim acest Graal sacru de autenticitate și, de asemenea, o rigiditate ridicată pentru a fi în măsură să transporte sarcini", spune Zadpoor. "Asta devine o vânătoare înfricoşătoare.

Învăţarea automată poate permite, de asemenea, adaptarea implanturilor osoase individuale la anatomia pacientului.

Echipa a apelat la inteligenţa artificială pentru ajutor. Folosind un sistem IA instruit pentru a prezice cum se pot comporta diverse materiale, acestea au fost în măsură să includă proprietăți specifice pe care le doresc. Mașina a revenit cu un design pentru ceva cunoscut sub numele de"mater" - materiale care pot fi modificate pentru a avea proprietăți ciudate prin schimbarea structurii microscopice.

Munca lor este doar un exemplu al modului în care oamenii de știință abordează din ce în ce mai mult IA pentru a-i ajuta să dezvolte materiale care ar fi fost cândva nedetectabile. Și se dovedește a fi deosebit de puternic pentru cei care încearcă să imite proprietățile țesutului biologic.

"Cu învățare automată, puteți face (procesul) mult mai rapid și care vă permite să explorați mii la milioane de alte structuri pentru a găsi ceea ce aveți nevoie", spune Zador.

Metamaterialele pot fi concepute pentru a avea o varietate de oameni, în funcție de structura lor internă - se pot comporta ca un corp solid sau ca un lichid, în funcție de o anumită frecvență a vocii aplicate pe ele, de exemplu. Dar găsirea structurii interne dorite este încă o provocare atunci când ne bazăm pe metode fizice sau simulări.

S-ar putea să dureze aproximativ un an pentru a dezvolta și pregăti un model IA pentru a genera noi proiecte de materiale, spune Sid Kumar, profesor asociat de științe materiale la TT Delft în Țările de Jos. Dar odată ce acest lucru este în loc, poate dura minute sau chiar secunde pentru ca sistemul să genereze modele fezabile.

Într-unul dintre proiectele lor, Kumar și colegii săi au folosit IA pentru a veni cu un metamagic care poate fi folosit pentru a crea implanturi osoase moi pentru a repara fracturi complexe, care sunt comune pentru persoanele în vârstă. Plăcile, șuruburile și tijele din titan sau oțel sunt adesea folosite, dar oasele nu se vindecă întotdeauna bine în jurul lor. Aceasta poate însemna că aceste implanturi nu sunt integrate corespunzător, lăsându-le slabe.

Cercetătorii au crezut că un material mai moale care încă oferă structura ar putea imita cel mai bine ţesutul moale care se formează în mod natural în stadii incipiente de recuperare într-o fractură. Ei au vrut un metamater care include o microstructura ca web, dar are, de asemenea, proprietăți similare cu lichid ca un polimer sau hidrogel. Acest material moale, care poate fi proiectat să arate ca un bandaj circular subţire care conţine găuri, va fi plasat într-un cadru astfel încât celulele vii să-l colonizeze şi să-i permită să se integreze cu osul.

Faza timpurie de recuperare a fracturilor este crucială pentru succesul", declară Xiao-Hao Qin, profesor asistent de inginerie biomaterială la ETH Zurich în Elveţia şi membru al echipei de cercetare.

Implanturile metalice folosite pentru repararea fracturilor sunt, de asemenea, mai flexibile decât oasele, ceea ce poate fi problematic deoarece absorb forţele exterioare. Prin urmare, oasele care se formează în jurul lor nu se confruntă cu tulpini în timpul exerciţiilor fizice şi pot începe să moară.

Aşa că Kumar şi colegii săi au dorit de asemenea un metamaterial care să aibă aceeaşi formă şi proprietăţi ca şi la marginile oaselor lungi, cum ar fi cele de pe braţele şi picioarele noastre. Aici, osul interior are o structură elegantă similară cu cea a împrumutatului de miere, cunoscută sub numele de os trabecular, care oferă putere și capacitatea de a absorbi șocurile.

În jobul anterior, Kumar şi colegii săi au introdus o nouă clasă de metamaţiale, numite spinodoizi, care împărtăşesc unele caracteristici importante cu osul porez. Ambele au structuri interne similare cu o plasă care este ușor neregulată în formă. În funcție de modul în care acestea sunt gestionate, ele creează niveluri diferite de forță și rigiditate.

Oferind un algoritm modelul de învățare automată o listă de proprietăți pe care le căutau, cum ar fi rigiditatea specifică a unui os femur, Kumar și colegii săi au fost capabili să genereze modele spinodoide care se conformează îndeaproape osului uman. Ei au reuşit să imite curtura ei, precum şi propria structură a gropii, de exemplu, şi cum se comportă atunci când o forţă se aplică la ea.

Acest lucru este important pentru că s-ar putea dori ca o regiune a implantului să fie mai rigidă, o altă regiune să fie mai poroasă și o altă regiune pentru a încuraja creșterea țesutului", spune Mohammad Mizali, profesor asociat de inginerie biomedicală la TTU Delft, care nu a fost implicat în acest job.

Kumar și echipa sa au fost, de asemenea, în măsură să arate că designul ar putea fi produs folosind tehnici tridimensionale de imprimare. Următorul lor pas este de a rula teste pentru a da seama cum ar funcționa dacă ar fi implantat în corpul uman.

Poate că după câţiva ani, vom putea face implanturi osoase mimetice, spune Kumar.

Zandpoor şi colegii săi şi-au continuat misiunea de a găsi o metamaţială imposibilă pentru implanturile de şold. Ei au adăugat la lista lor de proprietăţi - atâta timp cât sunt stresaţi şi adecvate pentru a se adapta la bazinul variabil al pacientului.

Pentru a-și îndeplini lunga listă de dorințe, Zadpoor și echipa sa au primit trei modele diferite de învățare automată pentru a-și uni forțele și pentru a căuta împreună o metamatică fezabilă. Această abordare a avut ca rezultat mai multe modele metamatrale care ar fi potrivite pentru utilizarea pe un implant erecție, care Zador spune că ar fi imposibil de realizat fără inteligență artificială din cauza complexității datoriei.

În viitor, învățarea automată poate permite, de asemenea, adaptarea implanturilor osoase individuale la anatomia pacientului, ceea ce ar trebui să-l facă să dureze mai mult, spune Zador. / Periscop/