材料開發加速器:臺大、中鋼、雪梨科大應用人工智慧發現新型生醫鈦合金

 臺灣將於2025年進入超高齡化社會,生醫材料自主開發與創新為我國維持前瞻醫療與穩健長照政策之重點。骨替代材或人工髖骨之未來需求逐漸上升,而現行所使用的Ti-6Al-4V (in wt. %)鈦合金性能雖然優異,但其中Al(鋁)與V(釩)都曾被報導對人體可能產生不利之影響,此外,此鈦合金楊氏係數高達100 GPa,與人骨之25-35 GPa差距甚大,植入後可能因應力遮蔽效應造成骨細胞之異常成長。科學家已經投入尋找新型合金超過20年之久,然而,在茫茫廣大無窮的合金配方中尋找新合金本來就不容易,後續仍有生物相容性測試與動物試驗,因此,人工髖骨之新材料開發速度相當緩慢。

本系顏鴻威副教授及其研究生吳俊德嘗試以類神經網絡法建立機器學習技術,該機器學習法能大範圍預測富鈦複雜合金之結構與楊氏係數,成為材料研發之高速探索引擎,並經由將近2年的實驗驗證,證實其機器模型之預測能力將近70%,將該機器命名為βLow - It finds β Ti alloys with very low modulus。融合冶金理論的βLow設計非常簡單卻巧妙,而研究團隊於βLow機器所預測的合金成分中,成功與中鋼公司共同發展出Ti-12Nb-12Zr-12Sn(in wt. %)合金,稱為Ti-12合金。Ti-12之楊氏係數僅僅只有43 GPa,與鎂合金相當,此外,該合金擁有相當優異的生物相容性並利於骨細胞成長,Ti-12不但密度低故兼備輕量化之特性,它的抗拉強度接近900 MPa,相當於先進超高強度鋼等級,更難得的是Ti-12合金成本相較於各國專利發明皆較低,為一種新型態人工髖骨替代材。

本研究團隊包含臺灣大學、雪梨科技大學、香港大學、國家同步輻射中心、以及中鋼公司。雪梨科技大學Joshua Chou教授表示:「本研究為材料學家、冶金工程師、生物學家、及人工智慧的國際合作所發展之重大突破,新合金本質上擁有相當接近骨頭的楊氏係數,大幅改善了長期以來金屬骨材植入後因為楊氏係數過高而產生的問題,而人工智慧未來將能提供更多骨材開發的替代方案。」中鋼公司潘永村博士表示:「中鋼與臺灣大學於10年前即運用計算冶金方法成功開發奈米析出強化鋼捲,此次再以最夯的機器學習方法開發出仿人骨之極低楊氏係數鈦合金,締造我國產學合作之佳話。中鋼目前以高端金屬材料研究中心為平臺,與顏鴻威教授共同推動材料計算與模擬技術之相關研究,目標解決材料應用之關鍵議題。」

本研究為顏鴻威副教授執行科技部高熵合金專案計畫之成果,與研究生吳俊德主導βLow機器之設計與研究方向。中鋼潘永村博士及張孝慈博士主導合金配方熔煉以及產品試製,雪梨科技大學Joshua Chou教授剖析Ti-12合金之生物相容性與動物實驗,香港大學黃明欣教授協助材料機械性能之量測與驗證,臺灣同步輻射中心陳世偉博士以臨場拉伸變形實驗闡釋其變形原理,該研究《Machine learning recommends affordable new Ti alloy with bone-like modulus》發表於材料頂尖Materials Today (IF=24.372)。

目前研究團隊持續致力於βLow機器之改良,最新版本之預測可高達90%,未來目標發展出超複雜合金與高熵合金之性能預測系統,並進一步挑戰判定材料變形行為。此外,βLow技術不但可以用於發現新材料,亦可用於已知合金性能微調,本團隊同時參與臺灣大學前瞻綠色材料高值化研究中心,未來將結合3D列印技術發展高性能且低成本的綠色製程骨替代材,逐步翻轉全球人工髖骨之新材料開發與設計。

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▲ 顏鴻威副教授(左)及其研究團隊之合照

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▲本研究以雙重類神經網絡法建立機器學習技術,預測富鈦複雜合金之結構與楊氏係數,並實際熔煉與製備材料進行實測,本研究所發現之Ti-12Nb-12Zr-12Sn(in wt. %)合金僅具有43 GPa之楊氏係數,與人骨數值相當接近。 

 

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參考連結:臺大校訓