Машинное обучение объединяет гибкость и эффективность создания спинодальных структур для стохастического проектирования биоматериалов.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5414 (2023) Цитировать эту статью

1209 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Разработка пористых биоматериалов для восстановления костей по-прежнему в значительной степени ограничивается регулярными структурами (например, стержневыми решетками) из-за их легкой параметризации и высокой управляемости. Возможность проектирования стохастической структуры может переопределить границы нашего исследуемого пространства структура-свойство для синтеза биоматериалов следующего поколения. Настоящим мы предлагаем подход сверточной нейронной сети (CNN) для эффективного создания и проектирования спинодальной структуры — интригующей структуры со стохастической, но взаимосвязанной, гладкой и постоянной поровой системой, способствующей биотранспорту. Наш подход, основанный на CNN, одновременно обладает огромной гибкостью физической модели при создании различных спинодальных структур (например, периодических, анизотропных, градиентных и произвольно больших) и сравнимой вычислительной эффективностью с моделью математической аппроксимации. Таким образом, мы успешно разрабатываем спинодальные костные структуры с целевой анизотропной эластичностью посредством высокопроизводительного скрининга и напрямую создаем большие спинодальные ортопедические имплантаты с желаемой градиентной пористостью. Эта работа значительно продвигает разработку стохастических биоматериалов, предлагая оптимальное решение для создания и проектирования спинодальных структур.

Из-за недостаточности применения аутотрансплантата (собственной ткани пациента) и аллотрансплантата (взятого у другого человека) биомиметические материалы и структуры играют решающую роль в тканевой инженерии для эффективного восстановления и замещения кости1. Пористые материалы с регулярной структурой, такие как стержневые или пластинчатые решетки2,3,4 и структуры с тройной минимальной периодической поверхностью (TMPS)5,6,7, широко изучаются при проектировании биоматериалов. Во многом это связано с простотой параметризации структуры и высокой управляемостью. В отличие от этого, предпринимались весьма ограниченные усилия по созданию стохастических биоматериалов с индивидуальной структурой и свойствами. Среди различных видов стохастических пористых материалов8 спинодальные материалы9,10 представляют особый интерес благодаря своему интригующему сочетанию двунепрерывности и особой стохастичности. Спинодальная структура возникает в результате термодинамического процесса спинодального распада, при котором метастабильная фаза саморазделяется на две отдельные фазы при термической обработке11. Получающаяся в результате двухфазная структура демонстрирует взаимопроникающую, непрерывную и стохастическую морфологию, характеризующуюся, в частности, довольно однородным размером элементов и гладкой границей раздела фаз (близкая к нулю средняя кривизна12) по всей структуре. Спинодальные пористые материалы получаются путем присвоения одной фазы твердого материала, а остальных - пустоты. Его особая спинодальная архитектура обеспечивает не только отличительные механические свойства (например, высокую удельную прочность, нечувствительность к несовершенствам и нарушениям симметрии, характерным для регулярных структур), но и благоприятные биологические свойства с хорошим переносом массы. Вышеуказанные характеристики делают спинодальные материалы очень перспективными для широкого спектра применений, таких как системы защиты от ударов9,13, микрореакционная среда14, электрохимический сенсор15 и, в частности, тканевая инженерия16,17,18 с жесткими механическими и биологическими требованиями. Например, подавляющее большинство ортопедических имплантатов требуют не только превосходной механической функции, чтобы выдерживать физиологическую нагрузку19, но и отличной биологической функции, способствующей транспорту питательных веществ, пролиферации клеток, соединению кости с имплантатом и, следовательно, долгосрочному успеху имплантации20,21. Спинодальная структура с уникальным сочетанием механических и биологических свойств открывает широкие возможности для изготовления различных ортопедических имплантатов; см. пример зубного имплантата на рис. 1. Несмотря на огромный потенциал спинодальной структуры в биомедицинских приложениях, эффективное создание и проектирование спинодальных биоматериалов остается невозможным из-за чрезвычайной структурной сложности их природы.