Novo material sintético imita osso humano para melhores reparos de fraturas, utilizando aprendizado de máquina e impressão 3D. (Conceito do artista.) Crédito: SciTechDaily
Os pesquisadores desenvolveram um material sintético semelhante a um osso usando aprendizado de máquina e impressão 3D, destinada a aprimorar tratamentos ortopédicos. Este novo material poderia potencialmente substituir os métodos cirúrgicos tradicionais, reduzindo complicações e melhorando a cicatrização.
Apesar de suas arquiteturas irregulares, materiais naturais como ossos e penas de pássaros apresentam uma abordagem extremamente eficiente para a distribuição do estresse físico. No entanto, a relação exata entre a modulação do estresse e suas estruturas há muito que escapa aos cientistas. Em um estudo recente, os pesquisadores usaram aprendizado de máquina, otimização, impressão 3D e experimentos de estresse para desenvolver um material que replica as funcionalidades do osso humano para restauração ortopédica do fêmur, revelando insights sobre essa relação complexa.
Pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign 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
Desafios nos reparos de fraturas de 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.
A estudante de graduação Yingqi Jia, à esquerda, e a professora Shelly Zhang usaram aprendizado de máquina e impressão 3D para fabricar um novo material de inspiração biológica que pode melhorar os métodos convencionais de cura de ossos quebrados. Crédito: Fred Zwicky
Abordagens inovadoras em reparos ortopédicos
A pesquisa foi liderada por Shelly Zhang, professora de engenharia civil e ambiental da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, juntamente com o estudante de graduação Yingqi Jia e o professor Ke Liu da Universidade de Pequim. Seu trabalho, publicado em Comunicações da Naturezaapresenta uma abordagem inovadora para reparo ortopédico que utiliza uma estrutura computacional totalmente controlável para produzir um material que imita o osso.
“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.
Materiais naturais como ossos, penas de pássaros e madeira têm uma abordagem inteligente para a distribuição do estresse físico, apesar de suas arquiteturas irregulares. Um novo estudo que integra aprendizado de máquina, impressão 3D e experimentos de estresse permitiu que os engenheiros obtivessem informações sobre essas maravilhas naturais, desenvolvendo um material que replica as funcionalidades do osso humano para a restauração ortopédica do fêmur.
“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.”
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.”
Referência: “Module a distribuição de tensão com materiais de arquitetura irregular bioinspirados para um suporte ideal de tecido” por Yingqi Jia, Ke Liu e Xiaojia Shelly Zhang, 21 de maio de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-47831-2
O Prêmio Acadêmico David C. Crawford da Universidade de I. apoiou esta pesquisa.
