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在自然界中，骨頭、鳥羽、木材等材料，儘管結構不規則但仍能具有良好的物理應力分布，然而其中的奧祕一直未被完全解開。近期一項整合了機器學習（machine learning）、最佳化（optimization）、3D列印、應力實驗的新研究，讓工程師開發出複製人體骨骼功能的材料，藉此深入了解這些自然奇觀，並有望用於股骨整形修復。這項研究由美國伊利諾大學厄巴納－香檳分校（University of Illinois UrbanaChampaign）與北京大學共同合作，目前研究結果已刊登於《自然通訊》（Nature Communications）期刊。
 
股骨（femur，大腿的長骨）骨折對人類而言十分常見，尤其在老年人中更是普遍。若一般人出現股骨骨折的狀況，骨折斷裂處會產生應力並集中在裂紋尖端，增加進一步斷裂的風險。傳統的治療方式是在骨折部位周圍植入金屬骨板並用螺釘固定，但此方法可能帶來慢性疼痛、鬆動、進一步損傷等併發症。
 
為了解決此問題，研究團隊開發出一種新的骨科修復方法，透過模型計算的方式產生能模仿骨骼的材料。團隊首先建立出材料數據庫，利用虛擬生長模擬器和機器學習演算法，生成虛擬的材料樣本，並探索樣本結構與物理性能之間的關聯。不同於過往研究，團隊進一步開發了一種最佳化的計算方法，讓使用者控制材料架構和應力分布的操作幅度最大化，藉此客製化調控材料生長過程。研究人員在實驗中也利用3D列印技術，製造出全尺寸的新型仿生材料樣品，並將樣品與人造股骨骨折模型連接進行實際的性能測試，最終確認能透過這種類似構建生物系統的方式，產生合成材料。
 
研究團隊期望這項研究，可以幫助構建出能刺激骨骼修復、為骨骼提供最佳化支撐，以及外力保護的新型材料結構。此技術不僅可應用於骨骼植入物，任何需要操控應力分布的生物植入領域都具有應用潛力。此外，由於這種模擬方式具有通用性，未來還可應用於金屬、聚合物等各類材料中。若能設計出最佳化的幾何形狀和局部結構，使它具備所需的機械性能，應用前景將無窮無盡。

新聞來源
Jia, Y. et al. (2024). Modulate stress distribution with bio-inspired irregular architected materials towards optimal tissue support. Nature Communications, 15 (1): 4072.