A machine learning-based multiscale model to predict bone formation in scaffolds

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作者
Chi Wu,Ali Entezari,Keke Zheng,Jianguang Fang,Hala Zreiqat,Grant P. Steven,Michael V. Swain,Qing Li
出处
期刊:Nature Computational Science [Springer Nature]
卷期号:1 (8): 532-541 被引量:21
标识
DOI:10.1038/s43588-021-00115-x
摘要

Computational modeling methods combined with non-invasive imaging technologies have exhibited great potential and unique opportunities to model new bone formation in scaffold tissue engineering, offering an effective alternate and viable complement to laborious and time-consuming in vivo studies. However, existing numerical approaches are still highly demanding computationally in such multiscale problems. To tackle this challenge, we propose a machine learning (ML)-based approach to predict bone ingrowth outcomes in bulk tissue scaffolds. The proposed in silico procedure is developed by correlating with a dedicated longitudinal (12-month) animal study on scaffold treatment of a major segmental defect in sheep tibia. Comparison of the ML-based time-dependent prediction of bone ingrowth with the conventional multilevel finite element (FE2) model demonstrates satisfactory accuracy and efficiency. The ML-based modeling approach provides an effective means for predicting in vivo bone tissue regeneration in a subject-specific scaffolding system. The study develops a machine learning approach for predicting bone regeneration in an additively manufactured bioceramic scaffold, which is correlated with an in vivo sheep model, exhibiting effectiveness for solving such a multiscale modeling problem.
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