人工智能簡(jiǎn)化了口腔軟組織移植生物打印參數(shù)的優(yōu)化，減少了時(shí)間和資源需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高效、個(gè)性化的牙科治療。

新加坡國(guó)立大學(xué)牙科學(xué)院助理教授Gopu Sriram（左）和Jacob Chew博士（中），以及新加坡國(guó)立大學(xué)設(shè)計(jì)與工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系的Dean Ho教授（右），展示了他們?cè)贏I驅(qū)動(dòng)的個(gè)性化牙齦組織移植3D生物打印方面的開(kāi)創(chuàng)性成果。該團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新方法旨在降低牙科手術(shù)的創(chuàng)傷性，同時(shí)改善患者的治療效果。

新加坡國(guó)立大學(xué) (NUS) 的一組研究人員開(kāi)發(fā)了一種利用 3D 生物打印和人工智能 (AI) 的創(chuàng)新組合來(lái)制作個(gè)性化牙齦組織移植的方法。

該團(tuán)隊(duì)由新加坡國(guó)立大學(xué)牙科學(xué)院助理教授 Gopu Sriram 領(lǐng)導(dǎo)，他們的方法提供了一種比傳統(tǒng)移植方法更具定制性且侵入性更小的替代方法，傳統(tǒng)移植方法通常需要從患者口腔中獲取組織——這個(gè)過(guò)程既不舒服，又會(huì)受到合適組織可用性的限制。

3D生物打印和人工智能技術(shù)有望更有效地解決牙科手術(shù)中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，例如修復(fù)牙周病引起的牙齦缺損或牙種植體并發(fā)癥。例如，通過(guò)精確制造針對(duì)個(gè)體患者的組織結(jié)構(gòu)，該方法可以顯著改善治療效果，減輕患者不適，并最大限度地降低康復(fù)期間發(fā)生感染等并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。

該團(tuán)隊(duì)的研究于2024年12月17日發(fā)表在《先進(jìn)醫(yī)療材料》雜志上，并得到了國(guó)家增材制造創(chuàng)新集群（NAMIC）和國(guó)家大學(xué)衛(wèi)生系統(tǒng)（NUHS）的資助。

新加坡國(guó)立大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用 3D 生物打印機(jī)制作定制的口腔軟組織移植物，將人工智能融入到這一過(guò)程中，以優(yōu)化生物打印參數(shù)、提高精度并提高效率。

利用人工智能加速生物打印過(guò)程

牙齦組織移植在牙科護(hù)理中至關(guān)重要，尤其適用于治療牙齦萎縮等牙齦黏膜缺損，以及牙周病或種植牙引起的并發(fā)癥。通常，這些移植組織是從患者口腔中取出的。雖然這些手術(shù)有效，但也存在一些明顯的缺點(diǎn)：患者不適、組織可用量有限以及術(shù)后并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)較高。

為了克服這些挑戰(zhàn)，研究人員采用了3D生物打印技術(shù)，這種技術(shù)可以根據(jù)每位患者缺損的具體尺寸定制組織移植物。他們開(kāi)發(fā)了一種專門(mén)的生物墨水，可以支持健康細(xì)胞的生長(zhǎng)，同時(shí)確保材料能夠精確打印并保持其形狀和結(jié)構(gòu)。

然而，3D生物打印的可行性取決于過(guò)程中應(yīng)用的參數(shù)。擠出壓力、打印速度、噴嘴尺寸、生物墨水粘度和打印頭溫度等因素都對(duì)打印部件的最終特性和性能起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)上，這些參數(shù)的調(diào)整是通過(guò)繁瑣的手動(dòng)反復(fù)試驗(yàn)來(lái)完成的，這極其耗時(shí)耗力。

“為了加快3D生物打印流程，我們將人工智能融入到工作流程中，以解決這一關(guān)鍵瓶頸，”新加坡國(guó)立大學(xué)設(shè)計(jì)與工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系主任、該研究論文的共同通訊作者何院長(zhǎng)教授說(shuō)道。“這種方法大大簡(jiǎn)化了流程，減少了優(yōu)化生物打印參數(shù)所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)量——從潛在的數(shù)千個(gè)組合減少到僅需25個(gè)組合，”何院長(zhǎng)教授補(bǔ)充道。他同時(shí)也是新加坡國(guó)立大學(xué)楊潞齡醫(yī)學(xué)院數(shù)字醫(yī)學(xué)研究所（WisDM）和新加坡國(guó)立大學(xué)N.1健康研究所（N.1）的主任。

該團(tuán)隊(duì)的人工智能驅(qū)動(dòng)工作流程帶來(lái)了巨大的效率提升，節(jié)省了時(shí)間和資源，同時(shí)確保創(chuàng)建具有精確尺寸和結(jié)構(gòu)完整性的組織結(jié)構(gòu)。

“我們的研究是首批專門(mén)將3D生物打印與人工智能技術(shù)相結(jié)合，用于定制口腔軟組織結(jié)構(gòu)的生物制造的研究之一，”Sriram助理教授說(shuō)道，他同時(shí)也是新加坡國(guó)立大學(xué)增材制造中心（AM.NUS）牙科和顱面3D打印應(yīng)用的聯(lián)合負(fù)責(zé)人。“3D生物打印比傳統(tǒng)3D打印更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗婕盎罴?xì)胞，這給打印過(guò)程帶來(lái)了許多復(fù)雜性。”

生物打印的牙齦組織移植物表現(xiàn)出強(qiáng)大的仿生特性，在打印后以及18天的培養(yǎng)期內(nèi)，細(xì)胞活力均保持在90%以上。移植物還保持了其形狀和結(jié)構(gòu)完整性，組織學(xué)分析證實(shí)了關(guān)鍵蛋白質(zhì)的存在以及與天然牙齦組織非常相似的多層結(jié)構(gòu)。

3D 生物打印牙齦組織移植（在透明載玻片上）是使用專門(mén)的生物墨水創(chuàng)建的，該墨水支持健康細(xì)胞生長(zhǎng)，同時(shí)保持結(jié)構(gòu)完整性，以進(jìn)行個(gè)性化牙科治療。

牙科保健的未來(lái)

在牙科領(lǐng)域，生產(chǎn)效率更高、結(jié)構(gòu)更完整、仿生性能更佳的個(gè)性化牙齦組織移植，有望解決牙周病和種植牙相關(guān)的長(zhǎng)期臨床難題。“這項(xiàng)研究展示了人工智能和3D生物打印如何融合，通過(guò)精準(zhǔn)醫(yī)療解決復(fù)雜的醫(yī)療問(wèn)題，”Sriram助理教授補(bǔ)充道。“通過(guò)針對(duì)個(gè)體患者優(yōu)化組織移植，我們可以降低牙科手術(shù)的侵入性，同時(shí)確保更好的愈合和恢復(fù)。”

令人興奮的是，這項(xiàng)研究的潛在影響遠(yuǎn)不止于牙科領(lǐng)域。“3D生物打印使我們能夠創(chuàng)建與患者傷口尺寸精確匹配的組織移植物，從而有可能減少甚至消除從患者體內(nèi)獲取組織的需要，”Sriram助理教授說(shuō)道。

“這種程度的定制可以最大限度地減少傷口閉合期間的移植物變形和張力，從而降低并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)、手術(shù)時(shí)間和患者的不適感。”牙周病專家、該研究的共同研究員、新加坡國(guó)立大學(xué)牙科學(xué)院的學(xué)術(shù)研究員 Jacob Chew 博士說(shuō)。

此外，口腔組織的無(wú)疤痕愈合特性提供了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@項(xiàng)研究的見(jiàn)解可以為其他屏障組織（如皮膚）制造類似的移植物提供信息，從而可能有助于皮膚傷口的無(wú)疤痕愈合。

未來(lái)的研究將專注于將這些發(fā)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用到臨床。該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)行體內(nèi)研究，以評(píng)估移植物在口腔環(huán)境中的整合度和穩(wěn)定性。他們還計(jì)劃探索通過(guò)多材料生物打印將血管整合到移植物中，以創(chuàng)建更復(fù)雜、更具功能性的結(jié)構(gòu)。研究人員希望憑借這些進(jìn)展，推動(dòng)再生牙科領(lǐng)域的發(fā)展，并為組織工程的更廣泛應(yīng)用鋪平道路。