De acordo com a Universidade de Illinois Urbana-Champaign, 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 o osso.
Os resultados do estudo são 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 osso 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 estimularão 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 Zhang. “A chave é a geometria, a arquitetura local e as propriedades mecânicas correspondentes, tornando as aplicações quase infinitas.”
O Prêmio Acadêmico David C. Crawford da Universidade de Illinois Urbana-Champaign apoiou esta pesquisa.
Zhang também é afiliado à Ciência e Engenharia Mecânica e ao Centro Nacional de Aplicações de Supercomputação de Illinois. Para saber mais sobre o projeto acesse o site.
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