Une nouvelle étude intégrant l'apprentissage automatique, l'optimisation, 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.

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'une fracture du fémur 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'étude, dirigée par Shelly Zhang, professeur de génie civil et environnemental à l'Université de l'Illinois Urbana-Champaign, et Yingqi Jia, étudiante diplômée, en collaboration avec le professeur Ke Liu de l'Université de Pékin, présente une nouvelle approche de la réparation orthopédique qui utilise un cadre informatique entièrement contrôlable pour produire un matériau qui imite l'os.

Les résultats de l'étude sont publiés dans la revue Nature Communications. .

"Nous avons commencé avec une base de données de matériaux et avons 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 expliqué 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.

"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 de contrainte 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."