Pesquisadores apresentam materiais programáveis para ajudar a curar ossos quebrados
Pesquisadores Urbana-Champaig da Universidade de Illinois mostram seu protótipo de resina impresso em 3D do novo material bioinspirado, aqui anexado a um modelo sintético de um fêmur humano fraturado. Crédito:Fred Zwicky LOIS YOKSOULIAN Materiais naturais como ossos, penas de pássaros e madeira têm uma abordagem inteligente para a distribuição do estresse físico, apesar de suas arquiteturas irregulares. No entanto, a relação entre a modulação do estresse e suas estruturas permaneceu indefinida.
Um novo estudo que integra aprendizado de máquina, otimização, impressão 3D e experimentos de estresse permitiu que os engenheiros obtivessem informações sobre essas maravilhas naturais ao desenvolver um material que replica as funcionalidades do osso humano para a restauração ortopédica do fêmur.
As fraturas do fêmur, o osso longo da parte superior da perna, são uma lesão generalizada em humanos e prevalentes entre os idosos. As bordas quebradas fazem com que a tensão se concentre na ponta da trinca, aumentando as chances de a fratura se alongar. Os métodos convencionais de reparo de um fêmur fraturado normalmente envolvem procedimentos cirúrgicos para fixar uma placa de metal ao redor da fratura com parafusos, o que pode causar afrouxamento, dor crônica e lesões adicionais.
O estudo, liderado pela professora de engenharia civil e ambiental Shelly Zhang da Universidade de Illinois Urbana-Champaign e pela estudante de graduação Yingqi Jia em colaboração com o professor Ke Liu da Universidade de Pequim, apresenta uma nova abordagem para reparos ortopédicos que usa uma estrutura computacional totalmente controlável para produzir um material que imita osso. Os resultados do estudo foram publicados na revista Nature Communications .
"Começamos com um banco de dados de materiais e usamos um estimulador de crescimento virtual e algoritmos de aprendizado de máquina para gerar um material virtual e, em seguida, aprendemos a relação entre sua estrutura e propriedades físicas", disse Zhang.
"O que separa este trabalho de estudos anteriores é que demos um passo adiante ao desenvolver um algoritmo de otimização computacional para maximizar a arquitetura e a distribuição de tensão que podemos controlar."
No laboratório, a equipe de Zhang usou impressão 3D para fabricar um protótipo de resina em escala real do novo material bioinspirado e anexou-o a um modelo sintético de um fêmur humano fraturado.
“Ter um modelo tangível permitiu-nos realizar medições do mundo real, testar a sua eficácia e confirmar que é possível cultivar um material sintético de uma forma análoga à forma como os sistemas biológicos são construídos”, disse Zhang.
“Prevemos que este trabalho ajudará a construir materiais que irão estimular a reparação óssea, fornecendo suporte otimizado e proteção contra forças externas”. Geração de materiais de arquitetura irregular com modulação de tensão habilitada para otimização e suas aplicações potenciais. Crédito:Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47831-2 Zhang disse que esta técnica pode ser aplicada a vários implantes biológicos sempre que for necessária manipulação de estresse.
“O método em si é bastante geral e pode ser aplicado a diferentes tipos de materiais, como metais, polímeros – praticamente qualquer tipo de material”, disse ela. "A chave é a geometria, a arquitetura local e as propriedades mecânicas correspondentes, tornando as aplicações quase infinitas."
