Forschende stellen programmierbare Materialien vor, die bei der Heilung von Knochenbrüchen helfen sollen

Natürliche Materialien wie Knochen, Vogelfedern und Holz haben trotz ihrer unregelmäßigen Architektur einen intelligenten Ansatz für die physikalische Spannungsverteilung. Die Beziehung zwischen der Modulation von Spannungen und ihren Strukturen ist jedoch schwer zu verstehen. Eine neue Studie, die maschinelles Lernen, Optimierung, 3D-Druck und Belastungsexperimente integriert, ermöglichte es Ingenieuren, Einblicke in diese natürlichen Wunder zu gewinnen, indem sie ein Material entwickelten, das die Funktionalitäten des menschlichen Knochens für die orthopädische Oberschenkelrestauration nachbildet.

Die Studie, die von Shelly Zhang, Professorin für Bau- und Umweltingenieurwesen an der University of Illinois Urbana-Champaign, und der Doktorandin Yingqi Jia in Zusammenarbeit mit Professor Ke Liu von der Peking University durchgeführt wurde, stellt einen neuen Ansatz für orthopädische Reparaturen vor, bei dem ein vollständig kontrollierbarer Berechnungsrahmen zur Herstellung eines Materials verwendet wird, das den Knochen nachahmt.

Die konventionelle Behandlung von Femurfrakturen beinhaltet oft das chirurgische Anbringen von Metallplatten zur Stabilisierung des Bruchs, was jedoch zu Komplikationen wie Lockerungen oder chronischen Schmerzen führen kann. Die von Zhangs Team entwickelte Technik könnte eine innovative Alternative bieten. Basierend auf einer umfangreichen Materialdatenbank und einem computergestützten Optimierungsalgorithmus konnte das Team ein virtuelles Material modellieren, das sowohl die Architektur als auch die Stressverteilung im Knochen optimiert.

„Wir begannen mit einer Materialdatenbank und verwendeten einen virtuellen Wachstumsstimulator und Algorithmen des maschinellen Lernens, um ein virtuelles Material zu erzeugen und dann die Beziehung zwischen seiner Struktur und seinen physikalischen Eigenschaften zu lernen“, so Zhang. „Was diese Arbeit von früheren Studien unterscheidet, ist, dass wir einen Schritt weiter gegangen sind, indem wir einen rechnerischen Optimierungsalgorithmus entwickelt haben, um sowohl die Architektur als auch die Spannungsverteilung, die wir kontrollieren können, zu maximieren.“

Im Labor wurde ein Prototyp des Materials aus Kunstharz mittels 3D-Druck hergestellt und an einem synthetischen Modell eines gebrochenen menschlichen Femurs befestigt. Die praktischen Tests bestätigten die Wirksamkeit des neuen Materials, indem sie zeigten, dass es den natürlichen Aufbau biologischer Systeme imitiert und dadurch den Heilungsprozess unterstützen könnte.

„Mit einem greifbaren Modell konnten wir reale Messungen durchführen, seine Wirksamkeit testen und bestätigen, dass es möglich ist, ein synthetisches Material auf eine Weise zu züchten, die dem Aufbau biologischer Systeme entspricht“, so Zhang. „Wir stellen uns vor, dass diese Arbeit dazu beiträgt, Materialien zu bauen, die die Knochenreparatur durch optimierte Unterstützung und Schutz vor äußeren Kräften stimulieren werden.”

Laut Zhang kann diese Technik auf verschiedene biologische Implantate angewendet werden, wo immer eine Beeinflussung der Belastung erforderlich ist.

„Die Methode selbst ist recht allgemein und kann auf verschiedene Arten von Materialien wie Metalle, Polymere – praktisch jede Art von Material – angewendet werden“, sagte sie. „Der Schlüssel liegt in der Geometrie, der lokalen Architektur und den entsprechenden mechanischen Eigenschaften, so dass die Anwendungsmöglichkeiten nahezu unbegrenzt sind.“

Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht und bieten einen vielversprechenden Ausblick auf die zukünftige Entwicklung von Materialien, die nicht nur die Funktion von Knochen imitieren, sondern auch den Heilungsprozess optimieren könnten.