科技创新推动医学进步：从可编程材料到3D打印

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近年来，随着科技的迅猛发展，医学领域也迎来了诸多创新和突破。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（2024USNews美国大学排名：35）的研究人员开发了一种新型可编程材料，有望改进传统的骨折愈合方法。这一研究结合了机器学习、优化、3D打印和应力实验，旨在模仿人类骨骼的功能，用于股骨骨折的修复。股骨骨折在老年人中尤为常见，传统的修复方法通常涉及手术固定金属板，可能导致松动、慢性疼痛和进一步损伤。研究团队由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的土木与环境工程教授Shelly Zhang和研究生Yingqi Jia领导，并与北京大学的Ke Liu教授合作，提出了一种全新的骨科修复方法。该方法使用完全可控的计算框架，生成一种模仿骨骼的材料。研究团队通过3D打印制造了这种新型仿生材料的树脂原型，并将其附着在合成的股骨模型上进行测试。结果表明，这种材料能够有效促进骨骼修复，提供优化的支撑和外力保护。Zhang教授表示，这一技术可以应用于各种生物植入物，适用于需要应力调控的场合。该研究得到了伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校David C. Crawford Faculty Scholar Award的支持，研究成果发表在《自然通讯》杂志上。

可编程材料在骨折愈合中的应用

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员开发的新型可编程材料，旨在改善传统的骨折愈合方法。传统的骨折修复方法通常需要手术将金属板和螺钉固定在骨折处，但这种方法可能导致松动、慢性疼痛和进一步损伤。新材料通过计算优化算法，最大化控制其结构和应力分布，提供优化的支撑和保护。这种材料不仅适用于骨骼修复，还可应用于各种需要应力调控的生物植入物。

机器学习在骨科研究中的应用

机器学习在骨科研究中的应用也在不断拓展。华盛顿大学圣路易斯分校的研究人员开发了一种新的机器学习方法，可以更准确地预测患者在腰椎手术后的恢复情况。该方法结合了Fitbit设备的数据和多模态机器学习技术，能够在预测手术结果方面优于以往的模型，特别是在捕捉患者的长期身体和心理模式方面。通过预测手术前的结果，医生可以制定更个性化的治疗计划，并提前进行干预。

研究团队使用了Fitbit设备收集的活动数据和纵向评估数据，结合生态瞬时评估（EMA）技术，通过智能手机频繁提示患者评估情绪、疼痛水平和行为。该方法利用多任务学习（M3TL）技术，有效结合不同类型的数据，预测多个恢复结果。研究结果显示，这种方法可以更准确地预测每位患者术后的疼痛干扰和身体功能变化。研究仍在进行中，团队将继续优化模型，以改进长期结果。

3D打印在医疗应用中的前景

3D打印技术在医疗领域的应用前景广阔。根据InsightAce Analytic Pvt. Ltd.的报告，全球3D打印医疗设备市场预计到2030年将超过75亿美元，年均增长率为19.49%。市场增长的主要驱动力包括外科手术需求的增加、研发投资的增加、先进设备的开发以及公众对3D打印技术益处的认识提高。骨科和牙科问题的增加、创新材料的可用性以及老龄化人口也是推动市场增长的因素。

然而，市场也面临一些挑战，包括研发成本高、基础设施不足、医疗服务分布不均以及发展中国家缺乏专业知识。此外，低收入和中等收入国家的基础设施不足、缺乏有利的报销环境和技术渗透、高资本投资和运营成本、严格的监管框架、有限的保险覆盖范围以及不遵守法规也对市场构成挑战。

北美市场预计将在收入方面占据显著份额，并在未来几年内以高复合年增长率增长，主要原因是老龄化人口、心血管疾病的增加以及替换和植入手术的增加。亚太地区由于政府项目的增加、医疗旅游的发展、区域研究活动的扩展以及对高质量医疗保健需求的增加，也在3D打印医疗设备市场中占有重要份额。中国在集成技术方面的领先地位和自动化趋势的上升，使其成为3D打印医疗设备市场的重要参与者。

主要市场参与者包括Prodways Group、Stratasys Ltd.、3D Systems Inc.、Materialize NV和Renishaw plc。最近的发展包括Stratasys与法国医疗技术公司Bone 3D的合作，以及UNYQ推出的3D打印假肢插座UNYQ Socket。市场按产品、应用、技术和终端用户进行细分，涵盖了全球多个地区。

大学间的协作研究

高等教育机构在支持面向解决方案的协作研究方面也发挥着重要作用。研究通过对44名在美国卡内基研究1类大学从事食品、能源和水系统交叉研究的学者进行调查和访谈，发现高等教育机构在支持这类研究方面存在不均衡的制度环境。研究指出，不同职位的学者在进行协作研究时面临的挑战和获得的奖励各不相同。例如，研究生和博士后研究员由于合同期限有限，时间成为他们的主要挑战，而终身教授则面临较少的时间压力。资金问题对所有受访者都很重要，但对那些依赖外部资金的研究人员影响更大。

此外，学者们普遍认为与更广泛的受众进行沟通和建立信任是重要的，但这些活动在学术界的评价体系中往往不被重视。研究还发现，学术界的“新自由主义化”趋势，如对绩效指标的过度依赖，进一步加剧了这些挑战。为了更好地支持面向解决方案的协作研究，研究建议重新思考年度评估中“有价值”的内容，支持跨学科和跨领域的合作，并在招聘和培训过程中植入这些理念。尽管研究具有创新性，但其样本量较小，且仅限于美国的大学，因此未来需要更多的比较研究来验证这些结论的普适性。

综合总结

综上所述，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校开发的新型可编程材料在骨折愈合中的应用，展示了科技在医学领域的巨大潜力。结合机器学习和3D打印技术，这种材料不仅能够有效促进骨骼修复，还可应用于各种需要应力调控的生物植入物。与此同时，机器学习在骨科研究中的应用也在不断拓展，能够更准确地预测患者的恢复情况，帮助医生制定更个性化的治疗计划。

3D打印技术在医疗领域的应用前景广阔，市场预计将持续增长。然而，市场也面临一些挑战，需要各方共同努力克服。高等教育机构在支持面向解决方案的协作研究方面也发挥着重要作用，通过跨学科和跨领域的合作，推动科技进步和创新。

未来，随着科技的不断进步和各方的共同努力，医学领域将迎来更多的创新和突破，为患者提供更好的治疗方案和更高的生活质量。