Sáng chế vật liệu lập trình nẹp xương gãy thay cho kim loại

Sử dụng công nghệ in 3D để chế tạo vật liệu tổng hợp lấy cảm hứng từ mô hình sinh học mới và gắn vào xương đùi người bị gãy thay cho nẹp bằng titan.

Các vật liệu tự nhiên như xương, lông chim và gỗ có cách tiếp cận thông minh để phân bổ áp lực vật lý, bất chấp cấu trúc bất thường của chúng. Tuy nhiên, mối quan hệ giữa điều biến ứng suất và cấu trúc của chúng vẫn còn khó nắm bắt.

Gãy xương đùi, xương dài ở chân trên, là một chấn thương phổ biến ở người và thường gặp ở người cao tuổi. Các cạnh bị gãy gây ra ứng suất tập trung ở đầu vết nứt, làm tăng khả năng vết nứt sẽ kéo dài hơn. Các phương pháp thông thường để sửa chữa xương đùi bị gãy thường bao gồm các thủ tục phẫu thuật để gắn một tấm kim loại xung quanh chỗ gãy bằng vít, điều này có thể gây lỏng, đau mãn tính và chấn thương thêm.

Phần kết cấu mô phỏng tính chịu lực của xương được tạo ra nhờ in 3D.

Phần kết cấu mô phỏng tính chịu lực của xương được tạo ra nhờ in 3D.

Một nghiên cứu mới tích hợp học máy, tối ưu hóa, in 3D và các thí nghiệm về sức căng cho phép các kỹ sư hiểu rõ hơn về những kỳ quan thiên nhiên này bằng cách phát triển một loại vật liệu tái tạo các chức năng của xương người để phục hồi chỉnh hình xương đùi.

Nghiên cứu này do giáo sư kỹ thuật dân dụng và môi trường Shelly Zhang của Đại học Illinois Urbana-Champaign (Mỹ) và nghiên cứu sinh Yingqi Jia phối hợp với giáo sư Ke Liu từ Đại học Bắc Kinh (Trung Quốc) dẫn đầu. Nhóm đã giới thiệu một phương pháp mới để sửa chữa chỉnh hình sử dụng khung tính toán có thể kiểm soát hoàn toàn để tạo ra một vật liệu mô phỏng xương.

Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications. Giáo sư Zhang cho biết: “Chúng tôi bắt đầu với cơ sở dữ liệu vật liệu và sử dụng công cụ kích thích tăng trưởng ảo cũng như thuật toán học máy để tạo ra vật liệu ảo, sau đó tìm hiểu mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất vật lý của nó ”.

Vật liệu được nẹp vào xương đùi bị gãy để giúp nâng khung xương chờ phục hồi.

Vật liệu được nẹp vào xương đùi bị gãy để giúp nâng khung xương chờ phục hồi.

Điều khác biệt của nghiên cứu là họ đã tiến thêm một bước nữa bằng cách phát triển thuật toán tối ưu tính toán để tạo ra một cấu trúc hoàn hảo để kiểm soát tính chịu lực.

Nhóm của Zhang đã sử dụng công nghệ in 3D để chế tạo nguyên mẫu nhựa lấy cảm hứng từ vật liệu sinh học mới, mô phỏng kết cấu của xương và gắn nó vào mô xương đùi người bị gãy.

Zhang cho biết: “Việc có một mô hình trực quan cho phép chúng tôi thực hiện các phép đo trong thế giới thực, kiểm tra tính hiệu quả của nó và xác nhận rằng có thể phát triển vật liệu tổng hợp theo cách tương tự như cách tự nhiên tạo ra xương ”.

Kỹ thuật này có thể được áp dụng cho nhiều loại cấy ghép sinh học khác nhau ở bất cứ nơi nào cần sự chịu lực. Bản thân phương pháp này khá tổng quát và có thể áp dụng cho các loại vật liệu khác nhau như kim loại, polyme – hầu như là bất kỳ loại vật liệu nào.