Un nouveau matériau synthétique imite l’os humain pour de meilleures réparations des fractures, grâce à l’apprentissage automatique et à l’impression 3D. (Concept de l'artiste.) Crédit : Issues.fr
Les chercheurs ont développé un matériau synthétique semblable à un os en utilisant apprentissage automatique et l'impression 3D, visant à améliorer les traitements orthopédiques. Ce nouveau matériau pourrait potentiellement remplacer les méthodes chirurgicales traditionnelles, réduisant ainsi les complications et améliorant la cicatrisation.
Malgré leur architecture irrégulière, les matériaux naturels comme les os et les plumes d’oiseaux ont une approche extrêmement efficace pour répartir le stress physique. Cependant, la relation exacte entre la modulation des contraintes et leurs structures a longtemps échappé aux scientifiques. Dans une étude récente, des chercheurs ont utilisé l’apprentissage automatique, l’optimisation, l’impression 3D et des expériences de contrainte pour développer un matériau qui reproduit les fonctionnalités de l’os humain pour la restauration orthopédique du fémur, révélant ainsi un aperçu de cette relation complexe.
Des chercheurs d'Urbana-Champaign de l'Université de l'Illinois montrent leur prototype en résine imprimé en 3D du nouveau matériau bio-inspiré, ici attaché à un modèle synthétique d'un fémur humain fracturé. Crédit : Fred Zwicky
Défis liés aux réparations de fractures du fémur
Les fractures du fémur, l'os long de la jambe supérieure, constituent une blessure répandue chez l'homme et sont fréquentes chez les personnes âgées. Les bords brisés provoquent une concentration des contraintes au fond de la fissure, augmentant ainsi les risques d'allongement de la fracture. Les méthodes conventionnelles de réparation d'un fémur fracturé impliquent généralement des interventions chirurgicales pour fixer une plaque métallique autour de la fracture à l'aide de vis, ce qui peut provoquer un descellement, une douleur chronique et d'autres blessures.
L'étudiante diplômée Yingqi Jia, à gauche, et la professeure Shelly Zhang ont utilisé l'apprentissage automatique et l'impression 3D pour fabriquer un nouveau matériau bio-inspiré susceptible d'améliorer les méthodes conventionnelles de guérison des fractures. Crédit : Fred Zwicky
Approches innovantes en réparation orthopédique
La recherche a été dirigée par Shelly Zhang, professeur de génie civil et environnemental à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, avec l'étudiant diplômé Yingqi Jia et le professeur Ke Liu de l'Université de Pékin. Leurs travaux, publiés dans Communications naturellesintroduit une approche innovante de la réparation orthopédique qui utilise un cadre informatique entièrement contrôlable pour produire un matériau qui imite l'os.
« Nous avons commencé avec une base de données de matériaux et utilisé un stimulateur de croissance virtuel et des algorithmes d'apprentissage automatique pour générer un matériau virtuel, puis avons appris la relation entre sa structure et ses propriétés physiques », a déclaré Zhang. « Ce qui distingue ce travail des études précédentes, c'est que nous sommes allés plus loin en développant un algorithme d'optimisation informatique pour maximiser à la fois l'architecture et la répartition des contraintes que nous pouvons contrôler. »
Dans le laboratoire, l'équipe de Zhang a utilisé l'impression 3D pour fabriquer un prototype en résine à grande échelle du nouveau matériau bio-inspiré et l'a attaché à un modèle synthétique d'un fémur humain fracturé.
Les matériaux naturels comme les os, les plumes d’oiseaux et le bois ont une approche intelligente de la répartition du stress physique, malgré leurs architectures irrégulières. Une nouvelle étude intégrant l'apprentissage automatique, l'impression 3D et les expériences de stress a permis aux ingénieurs de mieux comprendre ces merveilles naturelles en développant un matériau qui reproduit les fonctionnalités de l'os humain pour la restauration orthopédique du fémur.
« Disposer d'un modèle tangible nous a permis d'effectuer des mesures dans le monde réel, de tester son efficacité et de confirmer qu'il est possible de cultiver un matériau synthétique d'une manière analogue à la façon dont les systèmes biologiques sont construits », a déclaré Zhang. « Nous envisageons que ce travail aide à créer des matériaux qui stimuleront la réparation osseuse en fournissant un soutien et une protection optimisés contre les forces externes. »
Zhang a déclaré que cette technique peut être appliquée à divers implants biologiques partout où une manipulation des contraintes est nécessaire. « La méthode elle-même est assez générale et peut être appliquée à différents types de matériaux tels que les métaux, les polymères — pratiquement n'importe quel type de matériau », a-t-elle déclaré. « La clé réside dans la géométrie, l'architecture locale et les propriétés mécaniques correspondantes, ce qui rend les applications presque infinies. »
Le David C. Crawford Faculté Scholar Award de l’Université d’I. a soutenu cette recherche.
