Amir Alavi正在匹兹堡大学领导一个开创性的项目，开发用于脊柱治疗的“超材料”骨科植入物，由美国国立卫生研究院拨款55.7万美元资助。通过利用生成式人工智能和超材料的独特特性，Alavi旨在创造脊柱融合器，以提高愈合和手术成功率。这项研究可能会改变脊柱手术，为骨损伤和疾病治疗提供新的解决方案。以上是用超材料设计的骨植入物的例子。图片来源:Amir Alavi

　　匹兹堡大学一位专攻桥梁和基础设施的土木工程师正在利用他的知识创造创新材料，旨在改善脊髓损伤的治疗、修复和恢复。Amir Alavi的项目已经从美国国立卫生研究院获得了55.7万美元的资助，用于测试第一个“超材料”骨科植入物。

　　据估计，在美国每年有342,000例脊柱融合术，椎间融合术是治疗一系列脊柱疼痛和损伤的常用手术，包括椎间盘突出、退行性疾病和创伤。椎体间融合器是一种脊柱植入物，用于大多数此类手术以获得更好的手术效果。一个成功的融合也是一种平衡行为——椎笼应该足够坚硬，足以限制运动和减轻压力，但也要足够柔软，脊柱仍然可以转移负荷。然而，在融合过程中使用的当前材料所提供的所需强度和刚度会对愈合过程产生负面影响。

　　钛和聚醚醚酮(PEEK)等特定聚合物是脊柱融合器中最常用的材料，因为它们具有生物相容性、强度和耐用性。皮特斯旺森工程学院土木与环境工程助理教授Alavi解释说:“虽然人们可能认为金属植入物的高刚性是可取的，但它实际上会导致有害的结果，如极端压迫，延迟骨愈合，甚至对宿主骨造成灾难性的破坏。”“还有一个主要的问题是PEEK笼的骨整合。”

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　　Alavi的NIH资金来自一项为期三年的开拓者R21奖，该奖项允许新的和早期的研究人员追求国家生物医学成像和生物工程研究所高度感兴趣的研究项目。Alavi也是入选Clarivate 2023年高被引研究人员名单的23名匹兹堡大学科学家之一，并被PennLive/Harrisburg Patriot News评为“2024年24位值得关注的宾夕法尼亚人”之一。

　　“我对这个项目感到非常兴奋，因为它标志着‘超材料骨科植入物’在体内的首次测试，”Alavi补充道。“我们的任务是发现理想的椎间融合器，这是一个圣杯，它结合了稳定椎骨运动所需的刚度，分担负荷的灵活性，以及支持骨骼生长和生长的孔隙度。我相信我们的超材料方法设计椎体间融合器是最可行的策略，可以将所有这些基本功能无缝集成到一个融合器中。”

　　根据Alavi的说法，超材料比传统元素、合金或其他材料更先进，因为它们可以设计成提供广泛的所需机械性能，包括超轻、超硬、超高强度密度比、顺应性和高弹性。此外，由于超材料植入物可以使用多种生物相容性材料制造，因此开辟了广阔的设计空间。

　　未来影响及总结

　　该团队正在利用他们的生成式人工智能工具来加速对这一设计空间的探索，这些工具允许像Alavi这样的研究人员利用大量数据，不仅关于超材料，还包括脊柱以及材料在人体中的行为方式。

　　“这些超材料植入物中的单位细胞可以有各种大小和形状。这些超材料植入物的可能配置的数量可以接近天文数字。因此，根据临床需求、目标机械特性和外科医生设定的解剖匹配，我们正在处理一个巨大的设计空间。”“生成式人工智能允许我们做的是将所有这些参数与每种已知材料结合起来，以确定一种新的超材料，以响应所有医疗需求并提高恢复。然后，我们可以创建超材料结构，并比传统的试错法更快、更有效、更经济地进行测试。”

　　先驱者R21奖将使Alavi能够首先在动物身上测试脊柱融合笼，然后再进行人体测试。他相信这一过程最终将导致下一代基于超材料的植入物，可用于治疗其他需要手术干预的骨损伤和疾病。在体内试验期间，他的合作者将是阿勒格尼综合医院。