Kost je čudovit material. Znanstveniki izzivajo fiziko, da jo posnema za trajnejše zamenjave.

Pred nekaj leti je Amir Zador iskal novega posebnega gradiva. Potreboval je nekoga, ki se bo bolj zredil, ko bo ležal, vendar bo tudi trden kot kosti, piše BBC, oddaja Periskop.

To je bila zelo težka prošnja. Pomislite, kaj se zgodi, ko potegnete prožen pas z obeh koncev - ko se razširi, prožnost postane vse bolj tanka. Zandpoor, ortopedski profesor na Univerzitetnem medicinskem centru Leiden na Nizozemskem, in njegova ekipa je potrebovala nekaj, kar bi naredilo ravno nasprotno. Skoraj bi moral izpodbijati zakone fizike.

Problem, s katerim so se soočali, so bili boki. Mobilne zamenjave so eden najpogostejših ortopedskih postopkov, ki se izvajajo po vsem svetu. Težava je v tem, da ljudje z umetnimi bazeni na leto naredijo približno dva milijona korakov, kar vsadek izpostavi silam, ki ga postopoma porabijo. Po desetletju ali več uporabe je treba vsadke pogosto zamenjati.

Zandpoor in njegovi kolegi so upali, da bodo rešili ta problem z umestitvijo dveh različnih materialov, ki sta prinesena na nasproten način, ko ležita na vsaki strani osnove implantata - enega, ki postane debelejši, ko je stisnjen, drugega pa debelejši, ko leži. To bi pomagalo omehčati stegnenico, ko je bil vozel pod pritiskom, in zagotovilo, da implantat ostane trdno pritrjen na kost.

To bi okrepilo povezavo med kostjo in vsadkom, pravi Zador. Vse njihove raziskave so pokazale, da bo delovalo. Le da je bila še ena ovira - nekateri znani materiali, ki postanejo debelejši, ko ležejo, imenovani auxetični materiali, so ponavadi mehki in prožni. Uporabljajo se na primer v čeladah in ščitnikih za kolena.

Zadpoor pravi, da smo poskušali najti ta sveti gral avtentičnosti in tudi veliko togost, da bi lahko nosili tovore. "To postane strašen lov. "

Samodejno učenje lahko omogoči tudi prilagoditev posameznih kostnih vsadkov bolnikovi anatomiji.

Ekipa se je za pomoč obrnila na umetno inteligenco. Z uporabo IA sistema, usposobljenega za napovedovanje, kako se lahko različni materiali obnašajo, so lahko vključili posebne lastnosti, ki so si jih želeli. Stroj se je vrnil z dizajnom za nekaj znanega kot"mater" - materiali, ki se lahko spremenijo tako, da imajo čudne lastnosti s spreminjanjem njihove mikroskopske strukture.

Njihovo delo je le en primer, kako znanstveniki vse bolj nagovarjajo oceno učinka, da bi jim pomagali razviti materiale, ki bi bili nekoč neopazni. Izkazalo se je še posebej močno za tiste, ki skušajo posnemati lastnosti biološkega tkiva.

"S samodejnim učenjem lahko (proces) veliko hitreje in tako lahko raziščete na tisoče do milijone drugih struktur, da bi našli tisto, kar potrebujete", pravi Zador.

Metamateriali so lahko oblikovani tako, da imajo različne ljudi, odvisno od njihove notranje strukture - obnašajo se lahko kot trdno telo ali kot tekočina, odvisno od specifične frekvence glasu, ki se na njih nanaša, na primer. Toda ugotovitev, da je zaželena notranja struktura še vedno izziv, ko se zanašamo na fizične metode ali simulacije.

Sid Kumar, izredni profesor znanosti o materialih na TT Delft na Nizozemskem, pravi, da bo morda trajalo približno eno leto, da se razvije in usposobi model ocene učinka za ustvarjanje novih materialov. Toda ko bo to pripravljeno, bo morda trajalo nekaj minut ali celo sekund, da sistem ustvari izvedljive zasnove.

V enem od njihovih projektov so Kumar in njegovi kolegi uporabili IA za izdelavo metamatiala, ki se lahko uporablja za ustvarjanje mehkih kostnih vsadkov za popravilo kompleksnih zlomov, ki so običajni za starejše. Pogosto se uporabljajo plošče, vijaki in palice iz titana ali jekla, vendar se kosti okrog njih ne zacelijo vedno dobro. To lahko pomeni, da ti vsadki niso pravilno integrirani, zaradi česar so šibki.

Raziskovalci so menili, da lahko mehkejši material, ki še vedno ponuja strukturo, najbolje posnema mehko tkivo, ki se naravno tvori v zgodnjih fazah okrevanja pri zlomu. Želeli so metamater, ki vključuje spletu podobno mikrostrukturo, vendar ima tudi lastnosti, podobne tekočini kot polimer ali hidrogel. Ta mehki material, ki je lahko zasnovan tako, da je videti kot tanek krožni povoj, ki vsebuje luknje, bo postavljen v okvir, tako da ga lahko žive celice kolonizirajo in mu omogočajo integracijo s kostmi.

Zgodnja faza okrevanja zlomov je ključnega pomena za uspeh", pravi Xiao-Hao Qin, docent biomaterialnega inženiringa na ETH Zürichu v Švici in član raziskovalne ekipe.

Kovinski vsadki, ki se uporabljajo za popravilo zlomov, so tudi prožnejši od kosti, kar je lahko problematično, saj absorbirajo zunanje sile. Zato kosti, ki nastanejo okoli njih, med vadbo ne doživljajo sevov in lahko začnejo umirati.

Tako so Kumar in njegovi kolegi želeli tudi metamaterial, ki je imel enako obliko in lastnosti, kot jih lahko najdemo na robovih dolgih kosti, kot so tiste na naših rokah in nogah. Tu ima notranja kost elegantno strukturo, podobno kot izposoja medu, znano kot trabekularna kost, ki zagotavlja moč in sposobnost absorpcije šokov.

Na prejšnjem delovnem mestu so Kumar in njegovi sodelavci uvedli nov razred metamatij, imenovan spinodoidi, ki si delijo nekatere pomembne značilnosti s porsko kostjo. Oba imata notranje strukture, podobne mreži, ki je po obliki nekoliko nepravilna. Odvisno od tega, kako se ti upravljajo, ustvarjajo različne ravni sile in togosti.

Z dajanjem algoritma modelu samodejnega učenja seznam lastnosti, ki so jih iskali, kot je na primer specifična togost kosti stegnenice, so Kumar in njegovi kolegi lahko ustvarili spinodoide modele, ki se tesno ujemajo s človeško kostjo. Sposobni so bili posnemati na primer njeno ukrivljenost, pa tudi njegovo lastno strukturo lukenj in kako se obnaša, ko zanj velja sila.

To je pomembno, ker si morda želite, da bi bila regija vsadka bolj toga, druga regija bolj porozna in druga regija za spodbujanje rasti tkiva", pravi Mohammad Mizali, izredni profesor biomedicinskega inženiringa na TTU Delft, ki ni bil vključen v delo.

Kumar in njegova ekipa sta lahko tudi pokazala, da je oblikovanje mogoče izdelati z uporabo tridimenzionalnih tiskarskih tehnik. Njihov naslednji korak je, da opravijo teste, da ugotovijo, kako bi delovalo, če bi ga vsadili v človeško telo.

Morda bomo po nekaj letih lahko izdelali mimetične vsadke za kosti, pravi Kumar.

Zandpoor in njegovi kolegi so nadaljevali z iskanjem nemogoče metamatialne vsadke. Dodali so na svoj seznam lastnosti - tako stabilen, dokler je pod stresom in primeren za prilagoditev na bolnikovo spremenljivo kotlino.

Zadpoor in njegova ekipa so za izpolnitev svojega dolgega seznama želja prejeli tri različne modele samodejnega učenja za združitev sil in za skupno iskanje izvedljive metamatike. Ta pristop je imel za posledico več metamatričnih dizajnov, ki bi bili primerni za uporabo na koščenem vsadku, za katerega Zador pravi, da bi ga bilo nemogoče doseči brez umetne inteligence zaradi kompleksnosti dolžnosti.

V prihodnosti lahko avtomatsko učenje omogoči tudi prilagoditev posameznih kostnih vsadkov na bolnikovo anatomijo, zaradi česar naj bi trajal dlje, pravi Zador. / Periskop/