Tulang Sintetis Dirancang oleh AI untuk Mengubah Bedah Ortopedi

Para peneliti telah mengembangkan bahan sintetis mirip tulang dengan menggunakan pembelajaran mesin dan pencetakan 3D, yang bertujuan untuk meningkatkan perawatan ortopedi. Bahan baru ini berpotensi menggantikan metode bedah tradisional, mengurangi komplikasi dan meningkatkan penyembuhan.

Meskipun arsitekturnya tidak teratur, bahan alami seperti tulang dan bulu burung memiliki pendekatan yang sangat efisien terhadap distribusi stres fisik. Namun, hubungan pasti antara modulasi tegangan dan strukturnya telah lama luput dari perhatian para ilmuwan. Dalam studi baru-baru ini, para peneliti telah menggunakan pembelajaran mesin, optimasi, pencetakan 3D, dan eksperimen stres untuk mengembangkan bahan yang mereplikasi fungsi tulang manusia untuk restorasi tulang paha ortopedi, sehingga mengungkap wawasan tentang hubungan kompleks ini.

Peneliti Universitas Illinois Urbana-Champaign menunjukkan prototipe resin cetak 3D dari bahan baru yang terinspirasi dari bio, yang ditempelkan pada mannequin sintetis tulang paha manusia yang patah. Kredit: Fred Zwicky

Tantangan dalam Perbaikan Fraktur Femur

Fraktur tulang paha, tulang panjang di kaki bagian atas, merupakan cedera yang umum terjadi pada manusia dan umum terjadi pada orang lanjut usia. Tepi patah menyebabkan tegangan terkonsentrasi pada ujung retakan, meningkatkan kemungkinan memanjangnya patahan. Metode konvensional untuk memperbaiki patah tulang paha biasanya melibatkan prosedur pembedahan untuk memasang pelat logam di sekitar patah tulang dengan sekrup, yang dapat menyebabkan kelonggaran, nyeri kronis, dan cedera lebih lanjut.

Mahasiswa pascasarjana Yingqi Jia, kiri, dan profesor Shelly Zhang menggunakan pembelajaran mesin dan pencetakan 3D untuk membuat bahan baru yang terinspirasi dari bio yang dapat meningkatkan metode konvensional untuk menyembuhkan patah tulang. Kredit: Fred Zwicky

Pendekatan Inovatif dalam Perbaikan Ortopedi

Penelitian ini dipimpin oleh Shelly Zhang, seorang profesor teknik sipil dan lingkungan di Universitas Illinois Urbana-Champaign, bersama dengan mahasiswa pascasarjana Yingqi Jia dan Profesor Ke Liu dari Universitas Peking. Karya mereka, diterbitkan di Komunikasi Alammemperkenalkan pendekatan inovatif untuk perbaikan ortopedi yang menggunakan kerangka komputasi yang dapat dikontrol sepenuhnya untuk menghasilkan bahan yang meniru tulang.

“Kami memulai dengan database materials dan menggunakan stimulator pertumbuhan digital dan algoritma pembelajaran mesin untuk menghasilkan materials digital, kemudian mempelajari hubungan antara struktur dan sifat fisiknya,” kata Zhang. “Apa yang membedakan pekerjaan ini dari penelitian sebelumnya adalah kami mengambil langkah lebih jauh dengan mengembangkan algoritma optimasi komputasi untuk memaksimalkan arsitektur dan distribusi tegangan yang dapat kami kendalikan.”

Di laboratorium, tim Zhang menggunakan pencetakan 3D untuk membuat prototipe resin skala penuh dari bahan baru yang terinspirasi dari bio dan menempelkannya pada mannequin sintetis tulang paha manusia yang patah.

Bahan alami seperti tulang, bulu burung, dan kayu memiliki pendekatan cerdas terhadap distribusi tekanan fisik, meskipun arsitekturnya tidak teratur. Sebuah studi baru yang mengintegrasikan pembelajaran mesin, pencetakan 3D, dan eksperimen stres memungkinkan para insinyur memperoleh wawasan tentang keajaiban alam ini dengan mengembangkan bahan yang meniru fungsi tulang manusia untuk restorasi tulang paha ortopedi.

“Memiliki mannequin yang nyata memungkinkan kami melakukan pengukuran di dunia nyata, menguji kemanjurannya, dan memastikan bahwa ada kemungkinan untuk menumbuhkan bahan sintetis dengan cara yang analog dengan bagaimana sistem biologis dibangun,” kata Zhang. “Kami membayangkan pekerjaan ini membantu membangun bahan yang akan merangsang perbaikan tulang dengan memberikan dukungan dan perlindungan optimum dari kekuatan eksternal.”

Zhang mengatakan teknik ini dapat diterapkan pada berbagai implan biologis di mana pun diperlukan manipulasi stres. “Metodenya sendiri cukup umum dan dapat diterapkan pada berbagai jenis materials seperti logam, polimer – hampir semua jenis materials,” katanya. “Kuncinya terletak pada geometri, arsitektur lokal, dan sifat mekanik yang sesuai, sehingga aplikasinya hampir tidak ada habisnya.”

Referensi: “Memodulasi distribusi stres dengan bahan arsitektur tidak teratur yang terinspirasi dari bio menuju dukungan jaringan yang optimum” oleh Yingqi Jia, Ke Liu dan Xiaojia Shelly Zhang, 21 Mei 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-024-47831-2

Penghargaan Cendekiawan Fakultas David C. Crawford dari Universitas I. mendukung penelitian ini.