在自然界中，骨头、鸟羽、木材等材料，尽管结构不规则但仍能具有良好的物理应力分布，然而其中的奥秘一直未被完全解开。近期一项整合了机器学习（machine learning）、最佳化（optimization）、3D列印、应力实验的新研究，让工程师开发出复制人体骨骼功能的材料，藉此深入了解这些自然奇观，并有望用於股骨整形修复。这项研究由美国伊利诺大学厄巴纳－香槟分校（University of Illinois UrbanaChampaign）与北京大学共同合作，目前研究结果已刊登於《自然通讯》（Nature Communications）期刊。
股骨（femur，大腿的长骨）骨折对人类而言十分常见，尤其在老年人中更是普遍。若一般人出现股骨骨折的状况，骨折断裂处会产生应力并集中在裂纹尖端，增加进一步断裂的风险。传统的治疗方式是在骨折部位周围植入金属骨板并用螺钉固定，但此方法可能带来慢性疼痛、松动、进一步损伤等并发症。
为了解决此问题，研究团队开发出一种新的骨科修复方法，透过模型计算的方式产生能模仿骨骼的材料。团队首先建立出材料数据库，利用虚拟生长模拟器和机器学习演算法，生成虚拟的材料样本，并探索样本结构与物理性能之间的关联。不同於过往研究，团队进一步开发了一种最佳化的计算方法，让使用者控制材料架构和应力分布的操作幅度最大化，藉此客制化调控材料生长过程。研究人员在实验中也利用3D列印技术，制造出全尺寸的新型仿生材料样品，并将样品与人造股骨骨折模型连接进行实际的性能测试，最终确认能透过这种类似构建生物系统的方式，产生合成材料。
研究团队期望这项研究，可以帮助构建出能刺激骨骼修复、为骨骼提供最佳化支撑，以及外力保护的新型材料结构。此技术不仅可应用於骨骼植入物，任何需要操控应力分布的生物植入领域都具有应用潜力。此外，由於这种模拟方式具有通用性，未来还可应用於金属、聚合物等各类材料中。若能设计出最佳化的几何形状和局部结构，使它具备所需的机械性能，应用前景将无穷无尽。
白色为股骨位置。（Adobe Stock）
