骨头、鸟类羽毛和木材等天然材料尽管具有不规则的结构，但仍具有智能的物理应力分布方法。然而，应力调制与其结构之间的关系仍然难以捉摸。
一项融合机器学习、优化、3D 打印和压力实验的新研究使工程师能够通过开发一种可复制人体骨骼功能的材料来深入了解这些自然奇观，用于骨科股骨修复。
股骨（大腿的长骨）骨折是人类常见的损伤，并且在老年人中很常见。破裂的边缘导致应力集中在裂纹尖端，增加了裂纹延长的机会。修复股骨骨折的传统方法通常涉及外科手术，用螺钉将金属板固定在骨折周围，这可能会导致松动、慢性疼痛和进一步损伤。
该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 领导，与北京大学教授刘柯合作，介绍了一种新的骨科修复方法，即利用完全可控的计算框架来生产一种模仿骨骼的材料。
研究结果发表在《自然通讯》杂志上。
“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，然后了解其结构和物理特性之间的关系，”张说。
“这项工作与过去的研究的不同之处在于，我们通过开发计算优化算法来更进一步，以最大化我们可以控制的架构和应力分布。”
在实验室中，张的团队使用 3D 打印技术制造了新型仿生材料的全尺寸树脂原型，并将其附着到人类股骨骨折的合成模型上。
张说：“有了一个有形的模型，我们就可以进行现实世界的测量，测试其功效，并确认可以以类似于构建生物系统的方式生长合成材料。”
“我们设想这项工作有助于构建通过提供优化的支持和免受外力保护来刺激骨骼修复的材料。”
通过优化应力调制生成不规则建筑材料及其潜在应用。图片来源：《自然通讯》（2024）。 DOI：10.1038/s41467-024-47831-2
张说，这项技术可以应用于需要压力控制的各种生物植入物。
“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，”她说。“关键在于几何形状、局部结构和相应的机械性能，这使得应用几乎无穷无尽。”
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