Los materiales naturales como el hueso, las plumas de aves y la madera tienen un enfoque inteligente en la distribución del estrés físico, a pesar de sus arquitecturas irregulares. Sin embargo, la relación entre la modulación del estrés y sus estructuras sigue siendo difícil de alcanzar.
Un nuevo estudio que integra aprendizaje automático, optimización, impresión 3D y experimentos de estrés permitió a los ingenieros conocer mejor estas maravillas naturales mediante el desarrollo de un material que replica las funcionalidades del hueso humano para la restauración ortopédica del fémur.
Las fracturas del fémur, el hueso largo de la parte superior de la pierna, son una lesión muy extendida en los seres humanos y prevalecen entre las personas de edad avanzada. Los bordes rotos hacen que la tensión se concentre en la punta de la grieta, lo que aumenta las posibilidades de que la fractura se alargue. Los métodos convencionales para reparar una fractura de fémur generalmente implican procedimientos quirúrgicos para fijar una placa de metal alrededor de la fractura con tornillos, lo que puede provocar aflojamiento, dolor crónico y lesiones adicionales.
El estudio, dirigido por la profesora de ingeniería civil y ambiental de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, Shelly Zhang, y la estudiante de posgrado Yingqi Jia, en colaboración con el profesor Ke Liu de la Universidad de Pekín, presenta un nuevo enfoque para la reparación ortopédica que utiliza un marco computacional totalmente controlable para producir un material que imita al hueso.
Los hallazgos del estudio se publican en la revista Nature Communications. .
"Comenzamos con una base de datos de materiales y utilizamos un estimulador de crecimiento virtual y algoritmos de aprendizaje automático para generar un material virtual y luego aprender la relación entre su estructura y propiedades físicas", dijo Zhang.
"Lo que separa este trabajo de estudios anteriores es que llevamos las cosas un paso más allá al desarrollar un algoritmo de optimización computacional para maximizar tanto la arquitectura como la distribución de tensión que podemos controlar".
En el laboratorio, el equipo de Zhang utilizó la impresión 3D para fabricar un prototipo de resina a escala real del nuevo material bioinspirado y lo adjuntó a un modelo sintético de un fémur humano fracturado.
"Tener un modelo tangible nos permitió realizar mediciones en el mundo real, probar su eficacia y confirmar que es posible cultivar un material sintético de una manera análoga a cómo se construyen los sistemas biológicos", afirmó Zhang.
"Prevemos que este trabajo ayude a construir materiales que estimulen la reparación ósea proporcionando soporte optimizado y protección contra fuerzas externas".
Zhang dijo que esta técnica se puede aplicar a varios implantes biológicos dondequiera que sea necesaria la manipulación del estrés.
"El método en sí es bastante general y se puede aplicar a diferentes tipos de materiales, como metales, polímeros y prácticamente cualquier tipo de material", dijo. "La clave es la geometría, la arquitectura local y las propiedades mecánicas correspondientes, lo que hace que las aplicaciones sean casi infinitas."
Más información: Yingqi Jia et al, Module la distribución del estrés con materiales de arquitectura irregular bioinspirados para lograr un soporte óptimo del tejido, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47831-2
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
