I materiali naturali come le ossa, le piume degli uccelli e il legno hanno un approccio intelligente alla distribuzione dello stress fisico, nonostante le loro architetture irregolari. Tuttavia, la relazione tra la modulazione dello stress e le loro strutture è rimasta sfuggente.
Un nuovo studio che integra apprendimento automatico, ottimizzazione, stampa 3D ed esperimenti sullo stress ha permesso agli ingegneri di approfondire queste meraviglie naturali sviluppando un materiale che replica le funzionalità dell'osso umano per il restauro ortopedico del femore.
Le fratture del femore, l'osso lungo della parte superiore della gamba, sono una lesione diffusa negli esseri umani e sono prevalenti tra gli individui anziani. I bordi rotti fanno sì che lo stress si concentri sulla punta della fessura, aumentando le possibilità che la frattura si allunghi. I metodi convenzionali per riparare un femore fratturato prevedono in genere procedure chirurgiche per fissare una placca metallica attorno alla frattura con viti, che possono causare allentamento, dolore cronico e ulteriori lesioni.
Lo studio, condotto dalla professoressa di ingegneria civile e ambientale Urbana-Champaign dell'Università dell'Illinois Shelly Zhang e dalla studentessa laureata Yingqi Jia in collaborazione con il professor Ke Liu dell'Università di Pechino, introduce un nuovo approccio alla riparazione ortopedica che utilizza un quadro computazionale completamente controllabile per produrre un materiale che imita l'osso.
I risultati dello studio sono pubblicati sulla rivista Nature Communications .
"Abbiamo iniziato con un database dei materiali e utilizzato uno stimolatore di crescita virtuale e algoritmi di apprendimento automatico per generare un materiale virtuale, quindi apprendere la relazione tra la sua struttura e le proprietà fisiche", ha affermato Zhang.
"Ciò che distingue questo lavoro dagli studi precedenti è che abbiamo fatto un ulteriore passo avanti sviluppando un algoritmo di ottimizzazione computazionale per massimizzare sia l'architettura che la distribuzione dello stress che possiamo controllare."
In laboratorio, il team di Zhang ha utilizzato la stampa 3D per fabbricare un prototipo in resina in scala reale del nuovo materiale di ispirazione biologica e lo ha collegato a un modello sintetico di un femore umano fratturato.
"Avere un modello tangibile ci ha permesso di eseguire misurazioni nel mondo reale, testarne l'efficacia e confermare che è possibile coltivare un materiale sintetico in un modo analogo a come vengono costruiti i sistemi biologici", ha affermato Zhang.
"Prevediamo che questo lavoro contribuirà alla creazione di materiali che stimoleranno la riparazione ossea fornendo supporto e protezione ottimizzati dalle forze esterne."
Zhang ha affermato che questa tecnica può essere applicata a vari impianti biologici ovunque sia necessaria la manipolazione dello stress.
"Il metodo in sé è abbastanza generale e può essere applicato a diversi tipi di materiali come metalli, polimeri, praticamente a qualsiasi tipo di materiale", ha affermato. "La chiave è la geometria, l'architettura locale e le corrispondenti proprietà meccaniche, che rendono le applicazioni quasi infinite."
Ulteriori informazioni: Yingqi Jia et al, Modulazione della distribuzione dello stress con materiali dall'architettura irregolare di ispirazione biologica verso un supporto tissutale ottimale, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47831-2
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign
