从墨鱼想到人体支架,万物皆是科研灵感

Chloe Ma

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神奇的大自然母亲创造了许多独一无二的生物,每一种生物都或多或少地具备远超人类的某些能力,这些能力成为了我们科研工作者的灵感源泉。从蝙蝠身上学到的超声波系统、从鱿鱼身上学到的鱼雷设计、 从长颈鹿身上得到的抗荷服灵感……诸如此类的例子数不胜数。近日,研究人员从软体动物和虾身上得到了灵感,用于推进结构拓扑研究。

包括墨鱼以及螳螂虾在内的这些动物特性激发了研究人员对设计分层、空间变化的微结构的框架有了新的构想。这个来自美国乔治亚理工大学的研究团队开发了包括新的算法和计算在内的技术,这些算法和计算成为了分层微观结构的推动力。

然后,研究人员将该信息输入3D打印机并创建具有大量细节的结构。在研究了具有极强适应性的多孔分层的墨鱼骨之后,研究人员已经能够将其应用于新的结构和材料。

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(多孔各向异性微结构材料在拓扑优化中的作用,图片摘自Science Advances)

论文的通讯作者Paulino希望这项新研究能在早期的癌症患者以及那些面部严重受伤和骨丢失的患者的颅骨重建工作中发挥作用。

Paulino说:“现在,我们可以通过3D打印做出已经使用拓扑优化设计的颅面植入物,并提供组织再生的框架。” “理想情况下,当与我们最近开发的空间变化的微体系结构结合使用时,植入物将更紧密地模仿人类骨骼的多孔性质,并促进骨骼自身在支架内的生长。随着骨骼的生长,支架会生物降解。 如果一切顺利,最后脚手架就消失了,病人在正确的位置有新的骨头。”

这项研究有助于推动工程,化学和生物学之间的跨学科合作,以开发生物相容性材料和医疗结构。除此之外,研究人员认为太空探索同样是这一材料可以“大展身手”的领域。

受到动物及其在自然界中的作用方式的启发,Paulino和他的团队将继续通过设计和制造空间变化的分层结构进行拓扑优化。很快,在生物医学和太空探索中的实际应用必将随之而来。

参考资料:

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-04/giot-mai042021.php


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