CHAMPAIGN, Illinois – Los materiales naturales, como el hueso, las plumas de aves y la madera, tienen una forma inteligente de distribuir el estrés físico, a pesar de su estructura irregular. Sin embargo, la relación entre la modificación de la tensión y su estructura sigue siendo difícil de alcanzar. Un nuevo estudio que integra aprendizaje automático, optimización, impresión 3D y experimentos de estrés ha permitido a los ingenieros conocer mejor estas maravillas naturales mediante el desarrollo de un material que imita las funciones del hueso humano para las restauraciones osteoporóticas del fémur.

Las fracturas del fémur, el hueso largo situado en la parte superior de la pierna, son una lesión muy extendida en los seres humanos y comunes entre las personas de edad avanzada. Los bordes fracturados hacen que la tensión se concentre en la punta de la grieta, lo que aumenta las posibilidades de prolongar la fractura. Los métodos tradicionales para reparar una fractura de fémur suelen implicar 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 fue dirigido por la Universidad de Illinois Urbana-Champaign. Ingeniería civil y medioambiental Señor Shelly Zhang El estudiante de posgrado Yingqi Jia, en colaboración con el profesor Qi Liu de la Universidad de Pekín, presenta un nuevo enfoque para la reparación ósea que utiliza un marco computacional totalmente controlable para producir un material que imita al hueso.

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Los resultados del estudio fueron publicados 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 crear 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 estructura como la distribución de tensiones que podemos controlar».

En el laboratorio, el equipo de Zhang utilizó la impresión 3D para fabricar un prototipo a escala real de la nueva resina bioinspirada y unirlo a un modelo artificial de un fémur humano roto.

«Tener un modelo tangible nos permitió realizar mediciones en el mundo real, probar su efectividad y confirmar que es posible cultivar material artificial de manera similar a cómo se construyen los sistemas biológicos», dijo Zhang. «Prevemos que este trabajo ayude a construir materiales que estimulen la reparación ósea proporcionando un soporte y protección óptimos contra fuerzas externas».

Zhang dijo que esta tecnología se puede aplicar a varios implantes biológicos dondequiera que sea necesario controlar el estrés. «El método en sí es muy general y se puede aplicar a diferentes tipos de materiales, como metales, polímeros y casi 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».

Un premio David C. Crawford College Scholar de la Universidad de I. apoyó esta investigación.

Zhang también pertenece a Ciencias mecánicas e ingeniería. Y el Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputación En Illinois.