新加坡国立大学（NUS）的一组研究人员开发了一种使用3D生物打印和人工智能（AI）技术制造个性化龈组织（牙龈）移植物的方法。该团队的方法提供了一种更加定制化且侵入性更小的替代方案，传统移植方法通常需要从患者口腔中获取组织，这一过程不仅不舒服，而且受限于合适的组织可用性。
由NUS牙科学院助理教授Gopu Sriram领导的团队，其方法可以更有效地解决牙科手术中的关键问题，例如修复由牙周病或种植牙并发症引起的牙龈缺陷。通过实现针对每个患者的精确组织构建物的制造，该方法可以显著改善治疗效果，减少患者不适，并降低恢复期间感染等并发症的风险。
该团队的研究成果于2024年12月17日发表在《高级医疗材料》期刊上，并得到了国家增材制造创新集群（NAMIC）和国立大学卫生系统（NUHS）的资助支持。
NUS团队利用3D生物打印机制造定制的口腔软组织移植物，并将AI集成到过程中，以优化生物打印参数、提高精度和效率。
为了克服这些挑战，研究人员转向了3D生物打印技术，该技术可以制造符合每位患者缺陷特定尺寸的定制移植物。他们开发了一种特殊的生物墨水，这种生物墨水支持健康细胞的生长，同时确保材料能够准确打印并保持其形状和结构。
然而，3D生物打印的可行性取决于过程中应用的参数。诸如挤出压力、打印速度、喷嘴尺寸、生物墨水粘度和打印头温度等因素都对最终打印组件的性能起着至关重要的作用。传统上，调整这些参数需要通过繁琐的手动试错实验，这非常耗时且耗费资源。
“为了加速3D生物打印过程，我们将AI集成到工作流程中以解决这一关键瓶颈，”NUS设计与工程学院生物医学工程系主任Dean Ho教授说。他也是该研究论文的共同通讯作者。“这种方法通过减少优化生物打印参数所需的实验次数，从可能的数千次减少到仅25次组合，从而大大简化了过程。”Ho教授补充道，他还是NUS Yong Loo Lin医学院数字医学研究所（WisDM）和N.1健康研究所（N.1）的主任。
该团队的AI驱动工作流程极大地提高了效率，节省了时间和资源，同时确保了具有精确尺寸和结构完整性的组织构建物的创建。
“我们的研究是首批将3D生物打印和AI技术专门集成用于生物制造定制口腔软组织构建物的研究之一，”Sriram助理教授说，他还是NUS增材制造中心（AM.NUS）牙科和颅面3D打印应用方向的联合负责人。“3D生物打印比传统的3D打印更具挑战性，因为它涉及活细胞，这给打印过程带来了许多复杂性。”
生物打印的龈组织移植物表现出强烈的仿生特性，在打印后立即和18天培养期内维持超过90%的细胞存活率。移植物还保持了其形状和结构完整性，而组织学分析确认了关键蛋白质的存在以及类似于天然牙龈组织的多层结构。
在牙科领域，能够高效生产具有改进结构完整性和仿生特性的个性化龈组织移植物，可以解决与牙周病和种植牙相关的长期临床挑战。“这项研究展示了AI和3D生物打印如何结合解决复杂的医疗问题，通过精准医疗来实现这一点，”Sriram助理教授补充道。“通过为个别患者优化组织移植物，我们可以减少牙科手术的侵入性，同时确保更好的愈合和恢复。”
令人兴奋的是，这项研究的影响超出了牙科领域。“3D生物打印使我们能够创建与患者伤口尺寸精确匹配的组织移植物，从而可能减少或消除从患者身体中获取组织的需求，”Sriram助理教授说。
“这种级别的定制减少了移植物在伤口闭合过程中的变形和张力，降低了并发症的风险、手术时间和患者的不适。”牙周病专家、该研究的共同调查员、NUS牙科学院学术研究员Jacob Chew博士说。
此外，口腔组织无疤痕愈合的特性提供了独特的优势，因为这项研究的见解可以为其他屏障组织（如皮肤）的类似移植物的制造提供参考，可能有助于皮肤伤口的无疤痕愈合。
未来的研究将重点将这些发现从实验室转化为临床应用。研究团队计划进行体内研究，评估移植物在口腔环境中的整合和稳定性。他们还计划通过多材料生物打印将血管整合到移植物中，以创建更复杂和功能化的构建物。通过这些发展，研究人员希望推动再生牙科领域的发展，同时为组织工程的更广泛应用铺平道路。
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