研究人员展示的新型生物灵感材料附着在人类股骨骨折的合成模型上

图片来源：Fred Zwicky/伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校

根据研究人员的介绍，像骨头、鸟羽毛和木头这样的天然材料，尽管它们的结构不规则，但它们具有智能的物理应力分布方法。然而，应力调制与它们的结构之间的关系仍然是难以捉摸的。

一项整合了机器学习、优化、3D打印和应力实验的新研究使工程师们能够通过开发一种复制人骨功能的材料来了解这些自然奇观，用于骨科股骨修复。

股骨是上肢的长骨，股骨骨折是人类普遍存在的损伤，在老年人中很常见。断裂的边缘导致应力集中在裂纹尖端，增加了断裂延长的机会。修复股骨骨折的传统方法通常包括外科手术，用螺钉将金属板固定在骨折处，这可能导致松动、慢性疼痛和进一步的损伤。

这项研究由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校土木与环境工程教授Shelly Zhang和研究生Yingqi Jia与北京大学刘科教授合作，引入了一种骨科修复的新方法，该方法使用完全可控的计算框架来生产一种模拟骨骼的材料。

Zhang说:“我们从材料数据库开始，使用虚拟生长刺激器和机器学习算法来生成虚拟材料，然后学习其结构和物理性质之间的关系。”“这项工作与以往研究的不同之处在于，我们通过开发一种计算优化算法来进一步提高我们可以控制的结构和应力分布。”

在实验室里，Zhang的团队使用3D打印技术制造了一种新型生物灵感材料的全尺寸树脂原型，并将其连接到人类股骨骨折的合成模型上。“有了一个有形的模型，我们可以进行真实世界的测量，测试它的功效，并确认以类似于生物系统构建的方式生长合成材料是可能的，”Zhang说。“我们设想这项工作将通过提供优化的支持和保护来帮助构建能够刺激骨骼修复的材料。”

Zhang说，这项技术可以应用于各种需要压力控制的生物植入物。她说:“这种方法本身非常通用，可以应用于不同类型的材料，如金属、聚合物——几乎任何类型的材料。”“关键在于几何形状、局部机构和相应的机械性能，因此应用几乎无穷无尽。”