Yapay Zeka Tarafından Tasarlanan Sentetik Kemikler Ortopedik Cerrahiyi Dönüştürecek...

Araştırmacılar , ortopedik tedavileri iyileştirmeyi amaçlayan makine öğrenimi ve 3D baskıyı kullanarak kemiğe benzer bir sentetik malzeme geliştirdiler . Bu yeni malzeme potansiyel olarak geleneksel cerrahi yöntemlerin yerini alabilir, komplikasyonları azaltabilir ve iyileşmeyi iyileştirebilir. Düzensiz mimarilerine rağmen kemik ve kuş tüyü gibi doğal malzemeler, fiziksel stres dağıtımı konusunda son derece etkili bir yaklaşıma sahiptir. 

Ancak stres modülasyonu ile yapıları arasındaki kesin ilişki, bilim adamlarının uzun süredir gözünden kaçıyordu. Yakın zamanda yapılan bir çalışmada araştırmacılar, ortopedik femur restorasyonu için insan kemiğinin işlevlerini taklit eden bir malzeme geliştirmek amacıyla makine öğrenimi, optimizasyon, 3 boyutlu baskı ve stres deneylerini kullandı ve bu karmaşık ilişkiye dair içgörüleri ortaya çıkardı.

Femur Kırık Onarımındaki Zorluklar 

Üst bacağın uzun kemiği olan femur kırıkları insanlarda yaygın bir yaralanmadır ve yaşlı bireyler arasında yaygındır. Kırık kenarlar gerilimin çatlak ucunda yoğunlaşmasına neden olarak kırığın uzama olasılığını artırır. Kırık bir uyluk kemiğini onarmaya yönelik geleneksel yöntemler tipik olarak, gevşemeye, kronik ağrıya ve daha fazla yaralanmaya neden olabilecek şekilde kırığın etrafına vidalarla metal bir plaka tutturmak için cerrahi prosedürleri içerir.

Ortopedik Onarımda Yenilikçi Yaklaşımlar 

Araştırma, Illinois Urbana-Champaign Üniversitesi'nde inşaat ve çevre mühendisliği profesörü olan Shelly Zhang, yüksek lisans öğrencisi Yingqi Jia ve Pekin Üniversitesi'nden Profesör Ke Liu tarafından yürütüldü. Nature Communications'da yayınlanan çalışmaları , kemiği taklit eden bir malzeme üretmek için tamamen kontrol edilebilir bir hesaplamalı çerçeve kullanan ortopedik onarıma yenilikçi bir yaklaşım getiriyor. Zhang, "Malzeme veritabanıyla başladık ve sanal bir malzeme oluşturmak için sanal bir büyüme uyarıcısı ve makine öğrenimi algoritmaları kullandık, ardından yapısı ile fiziksel özellikleri arasındaki ilişkiyi öğrendik" dedi. 

"Bu çalışmayı geçmiş çalışmalardan ayıran şey, hem mimariyi hem de kontrol edebildiğimiz stres dağılımını en üst düzeye çıkarmak için hesaplamalı bir optimizasyon algoritması geliştirerek işleri bir adım daha ileri götürmemizdir." Laboratuvarda, Zhang'ın ekibi, biyo-esinli yeni malzemenin tam ölçekli bir reçine prototipini üretmek için 3 boyutlu baskıyı kullandı ve bunu kırık bir insan uyluk kemiğinin sentetik modeline bağladı.

Kemik, kuş tüyü ve ahşap gibi doğal malzemeler, düzensiz mimarilerine rağmen fiziksel stres dağılımı konusunda akıllı bir yaklaşıma sahiptir. Makine öğrenimini, 3 boyutlu yazdırmayı ve stres deneylerini birleştiren yeni bir çalışma, ortopedik femur restorasyonu için insan kemiğinin işlevlerini taklit eden bir malzeme geliştirerek mühendislerin bu doğa harikalarına dair fikir edinmelerine olanak sağladı.

Zhang, "Somut bir modele sahip olmak, gerçek dünya ölçümlerini yapmamıza, etkinliğini test etmemize ve biyolojik sistemlerin nasıl inşa edildiğine benzer bir şekilde sentetik bir malzeme üretmenin mümkün olduğunu doğrulamamıza olanak sağladı" dedi. "Bu çalışmanın, optimize edilmiş destek ve dış kuvvetlere karşı koruma sağlayarak kemik onarımını teşvik edecek malzemelerin üretilmesine yardımcı olacağını öngörüyoruz." 

Zhang, bu tekniğin stres manipülasyonunun gerekli olduğu her yerde çeşitli biyolojik implantlara uygulanabileceğini söyledi. "Yöntemin kendisi oldukça genel ve metaller, polimerler gibi farklı malzeme türlerine, yani hemen hemen her tür malzemeye uygulanabilir" dedi. "Önemli olan geometri, yerel mimari ve bunlara karşılık gelen mekanik özelliklerdir ve uygulamaları neredeyse sonsuz hale getirir."