این ماده مصنوعی جدید ترمیم استخوان را متحول می کند

محققان به‌تازگی با استفاده از یادگیری ماشینی و پرینت سه‌ بُعدی، مادۀ مصنوعی استخوان‌مانندی را با هدف تقویت درمان‌های ارتوپدی توسعه داده‌اند.

به گزارش تک‌ناک، این مادۀ جدید می‌تواند جایگزین روش‌های جراحی سنتی، کاهش عوارض و تسریع بهبودی شود.

علی‌رغم ساختارهای نامنظم، مواد طبیعی مانند استخوان‌ها و پرهای پرندگان، رویکردی بسیار کارآمدی برای توزیع تنش فیزیکی دارند. با وجود این، رابطۀ دقیق بین تنظیم استرس و ساختار آنها مدت‌ها ذهن دانشمندان را مشغول کرده است.

در یک مطالعۀ جدید، محققان از یادگیری ماشینی، پرینت سه‌بُعدی و آزمایش‌های استرس برای ایجاد ماده‌ای استفاده کرده‌اند که عملکردهای استخوان انسان را برای ترمیم استخوان ران ارتوپدی، تکرار و بینش‌هایی را در مورد این رابطۀ پیچیده آشکار می‌کند.

موانع موجود در ترمیم شکستگی استخوان ران

شکستگی استخوان ران یا همان استخوان بلند در بالای ساق پا، یک آسیب گسترده در انسان است، که در میان افراد مسن بیشتر رخ می‌دهد. روش‌های مرسوم برای ترمیم شکستگی استخوان ران در اغلب موارد، شامل روش‌های جراحی برای چسباندن یک صفحۀ فلزی در اطراف شکستگی با پیچ است که امکان دارد باعث شل شدن، درد مزمن و آسیب بیشتر شود.

رویکردهای نوآورانه در ترمیم ارتوپدی

این تحقیق توسط شلی ژانگ همراه با یک دانشجوی فارغ التحصیل به‌نام ینگچی جیا رهبری شد. تحقیق آنها که در مجلۀ Nature Communications منتشر شده است. آنها یک رویکرد نوآورانه برای ترمیم ارتوپدی معرفی می‌کنند که از یک چارچوب محاسباتی کاملاً قابل کنترل برای تولید ماده‌ای که شبیه استخوان است، بهره می‌گیرند.

ژانگ گفت: ما از پایگاه دادۀ مواد شروع و از محرک رشد مجازی و الگوریتم‌های یادگیری ماشینی برای تولید یک مادۀ مجازی استفاده کردیم. سپس رابطۀ میان ساختار و ویژگی‌های فیزیکی آن را یاد گرفتیم. آنچه این کار را از مطالعات گذشته جدا می‌کند این است که ما با توسعۀ یک الگوریتم بهینه‌سازی محاسباتی برای به حداکثر رساندن معماری و توزیع تنشی که می‌توانیم کنترل کنیم، همه چیز را یک گام جلوتر بردیم.

در آزمایشگاه، گروه تحقیقاتی ژانگ از پرینت سه‌بُعدی برای ساختن نمونۀ اولیۀ رزین در مقیاس کامل از مادۀ جدید الهام گرفته از طبیعت استفاده و آن را به نمونۀ مصنوعی استخوان ران انسان شکسته متصل کردند.

ژانگ عنوان کرد: داشتن یک نمونۀ ملموس به ما این امکان را می‌دهد که اندازه‌گیری‌ها را در دنیای واقعی انجام دهیم، کارایی آن را آزمایش و تأیید کنیم که امکان رشد یک مادۀ مصنوعی به روشی مشابه با شیوۀ ساخت سیستم‌های بیولوژیکی وجود دارد. ما تصور می‌کنیم که این کار به ساخت موادی کمک کند که با ارائه پشتیبانی بهینه و محافظت در برابر نیروهای خارجی، ترمیم استخوان را تحریک نماید.

وی اعلام کرد: این تکنیک را می‌توان برای ایمپلنت‌های بیولوژیکی مختلف هر جا که نیاز به دستکاری استرس باشد، اعمال کرد. همچنین این روش به خودی خود کاملاً کلی است و می‌تواند برای انواع مختلفی از مواد مانند: فلزات، پلیمرها و اغلبهر نوع ماده‌ای، اعمال شود. نکتۀ مهم هندسه، معماری محلی و خواص مکانیکی مربوطه است که کاربردها را در اکثر موارد بی پایان می‌کند.