Команда исследователей из Национального университета Сингапура (NUS) разработала метод изготовления персонализированных трансплантатов десневой ткани с использованием инновационной комбинации 3D-биопечати и искусственного интеллекта (ИИ).

Под руководством доцента Гопу Шрирама из стоматологического факультета NUS, подход команды представляет собой более индивидуальную и менее инвазивную альтернативу традиционным методам трансплантации, которые часто включают забор ткани изо рта пациента — процесс, который может быть как неудобным, так и ограниченным из-за наличия подходящей ткани.

Технология 3D-биопечати и искусственного интеллекта может более эффективно решать ключевые проблемы стоматологических процедур, такие как восстановление дефектов десен, вызванных заболеванием пародонта или осложнениями от зубных имплантатов. Например, обеспечивая точное изготовление тканевых конструкций, адаптированных к индивидуальным потребностям пациентов, этот метод может значительно улучшить результаты лечения, уменьшить дискомфорт пациента и свести к минимуму риск осложнений, таких как инфекции, во время выздоровления.

Исследование команды было опубликовано в журнале Передовые материалы для здравоохранения 17 декабря 2024 года и был поддержан грантами Национального инновационного кластера аддитивного производства (NAMIC) и Национальной университетской системы здравоохранения (NUHS).

Ускорение процесса биопечати с помощью искусственного интеллекта

Трансплантаты десневой ткани имеют важное значение в стоматологической помощи, особенно для устранения дефектов слизистой оболочки, таких как рецессия десны, и осложнений, возникающих в результате заболеваний пародонта или зубных имплантатов. Как правило, эти трансплантаты забираются изо рта пациента. Несмотря на свою эффективность, эти процедуры имеют существенные недостатки: дискомфорт пациента, ограниченная доступность тканей и более высокий риск послеоперационных осложнений.

Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователи обратились к 3D-биопечати — методу, который изготавливает индивидуальные тканевые трансплантаты, адаптированные к конкретным размерам дефекта каждого пациента. Они разработали специализированные биочернила, которые поддерживают рост здоровых клеток, а также гарантируют, что материал может быть напечатан точно и сохраняет свою форму и структуру.

Тем не менее, жизнеспособность 3D-биопечати хороша только настолько, насколько хороши параметры, применяемые в процессе. Такие факторы, как давление экструзии, скорость печати, размеры сопла, вязкость биочернил и температура печатающей головки, играют решающую роль в определении конечных свойств и производительности печатаемого компонента. Настройка этих параметров традиционно проводилась с помощью утомительных ручных экспериментов методом проб и ошибок, которые отнимают огромное количество времени и ресурсов.

«Чтобы ускорить процесс 3D-биопечати, мы интегрировали искусственный интеллект в наш рабочий процесс, чтобы устранить это критическое узкое место», — сказал профессор Дин Хо, заведующий кафедрой биомедицинской инженерии в Колледже дизайна и инженерии в NUS и соавтор исследовательской работы. «Этот подход значительно оптимизирует процесс, сокращая количество экспериментов, необходимых для оптимизации параметров биопечати — с потенциально тысяч до всего 25 комбинаций», — добавил профессор Хо, который также является директором Института цифровой медицины (WisDM) в Медицинской школе NUS Yong Loo Lin и Института здоровья N.1 (N.1) в NUS.

Этот огромный прирост эффективности, обеспечиваемый рабочим процессом команды на основе искусственного интеллекта, экономит время и ресурсы, обеспечивая при этом создание тканевых конструкций с точными размерами и структурной целостностью.

«Наше исследование является одним из первых, в котором специально интегрированы технологии 3D-биопечати и искусственного интеллекта для биоизготовления индивидуальных конструкций мягких тканей полости рта», — сказал профессор Шрирам, который также является соруководителем Thrust по стоматологическим и черепно-лицевым приложениям 3DP в Центре аддитивного производства NUS (AM. NUS). «3D-биопечать намного сложнее, чем обычная 3D-печать, потому что в ней задействованы живые клетки, которые вносят множество сложностей в процесс печати».

Бионапечатанные трансплантаты ткани десны продемонстрировали сильные биомиметические свойства, поддерживая жизнеспособность клеток более 90% сразу после печати и в течение 18-дневного периода культивирования. Трансплантаты также сохранили свою форму и структурную целостность, в то время как гистологические анализы подтвердили наличие ключевых белков и многослойной структуры, очень напоминающей естественную ткань десен.

Будущее стоматологической помощи

В стоматологии возможность производства персонализированных трансплантатов из ткани десны с повышенной эффективностью, структурной целостностью и биомиметическими свойствами может решить давние клинические проблемы, связанные с заболеваниями пародонта и зубными имплантатами. «Это исследование демонстрирует, как АЯ и 3D-биопечать можем объединиться для решения сложных медицинских проблем с помощью точной медицины», — добавил доцент Шрирам. «Оптимизируя тканевые трансплантаты для отдельных пациентов, мы можем снизить инвазивность стоматологических процедур, обеспечивая при этом лучшее заживление и восстановление».

Интересно, что потенциальные последствия этого исследования выходят за рамки стоматологии. «3D-биопечать позволяет нам создавать тканевые трансплантаты, которые точно соответствуют размерам ран пациента, потенциально уменьшая или устраняя необходимость в заборе ткани из тела пациента», — сказал доцент Шрирам.

«Такой уровень индивидуализации сводит к минимуму деформацию и натяжение трансплантата во время закрытия раны, снижая риск осложнений, время операции и дискомфорт для пациентов», — сказал доктор Джейкоб Чу, пародонтолог, соавтор исследования и научный сотрудник стоматологического факультета NUS.

Кроме того, безрубцовые свойства заживления тканей полости рта обеспечивают уникальное преимущество, поскольку результаты этого исследования могут помочь в изготовлении аналогичных трансплантатов для других барьерных тканей, таких как кожа, потенциально способствуя заживлению кожных ран без рубцов.

Будущие исследования будут сосредоточены на переносе этих результатов со стола на кровать. Команда планирует провести исследования in vivo для оценки интеграции и стабильности трансплантатов в среде полости рта. Они также стремятся изучить интеграцию кровеносных сосудов в трансплантаты с помощью биопечати из нескольких материалов для создания более сложных и функциональных конструкций. С помощью этих разработок исследователи надеются продвинуть область регенеративной стоматологии, прокладывая путь к более широкому применению в тканевой инженерии.