新加坡国立大学研究人员将 3D 生物打印与人工智能相结合

人工智能简化了口腔软组织移植生物打印参数的优化，减少了时间和资源需求，同时实现了高效、个性化的牙科治疗。

新加坡国立大学牙科学院助理教授Gopu Sriram（左）和Jacob Chew博士（中），以及新加坡国立大学设计与工程学院生物医学工程系的Dean Ho教授（右），展示了他们在AI驱动的个性化牙龈组织移植3D生物打印方面的开创性成果。该团队的创新方法旨在降低牙科手术的创伤性，同时改善患者的治疗效果。

新加坡国立大学 (NUS) 的一组研究人员开发了一种利用 3D 生物打印和人工智能 (AI) 的创新组合来制作个性化牙龈组织移植的方法。

该团队由新加坡国立大学牙科学院助理教授 Gopu Sriram 领导，他们的方法提供了一种比传统移植方法更具定制性且侵入性更小的替代方法，传统移植方法通常需要从患者口腔中获取组织——这个过程既不舒服，又会受到合适组织可用性的限制。

3D生物打印和人工智能技术有望更有效地解决牙科手术中的关键挑战，例如修复牙周病引起的牙龈缺损或牙种植体并发症。例如，通过精确制造针对个体患者的组织结构，该方法可以显著改善治疗效果，减轻患者不适，并最大限度地降低康复期间发生感染等并发症的风险。

该团队的研究于2024年12月17日发表在《先进医疗材料》杂志上，并得到了国家增材制造创新集群（NAMIC）和国家大学卫生系统（NUHS）的资助。

新加坡国立大学团队利用 3D 生物打印机制作定制的口腔软组织移植物，将人工智能融入到这一过程中，以优化生物打印参数、提高精度并提高效率。

利用人工智能加速生物打印过程

牙龈组织移植在牙科护理中至关重要，尤其适用于治疗牙龈萎缩等牙龈黏膜缺损，以及牙周病或种植牙引起的并发症。通常，这些移植组织是从患者口腔中取出的。虽然这些手术有效，但也存在一些明显的缺点：患者不适、组织可用量有限以及术后并发症风险较高。

为了克服这些挑战，研究人员采用了3D生物打印技术，这种技术可以根据每位患者缺损的具体尺寸定制组织移植物。他们开发了一种专门的生物墨水，可以支持健康细胞的生长，同时确保材料能够精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。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打印部件的最终特性和性能起着至关重要的作用。传统上，这些参数的调整是通过繁琐的手动反复试验来完成的，这极其耗时耗力。

“为了加快3D生物打印流程，我们将人工智能融入到工作流程中，以解决这一关键瓶颈，”新加坡国立大学设计与工程学院生物医学工程系主任、该研究论文的共同通讯作者何院长教授说道。“这种方法大大简化了流程，减少了优化生物打印参数所需的实验数量——从潜在的数千个组合减少到仅需25个组合，”何院长教授补充道。他同时也是新加坡国立大学杨潞龄医学院数字医学研究所（WisDM）和新加坡国立大学N.1健康研究所（N.1）的主任。

该团队的人工智能驱动工作流程带来了巨大的效率提升，节省了时间和资源，同时确保创建具有精确尺寸和结构完整性的组织结构。

“我们的研究是首批专门将3D生物打印与人工智能技术相结合，用于定制口腔软组织结构的生物制造的研究之一，”Sriram助理教授说道，他同时也是新加坡国立大学增材制造中心（AM.NUS）牙科和颅面3D打印应用的联合负责人。“3D生物打印比传统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。”

生物打印的牙龈组织移植物表现出强大的仿生特性，在打印后以及18天的培养期内，细胞活力均保持在90%以上。移植物还保持了其形状和结构完整性，组织学分析证实了关键蛋白质的存在以及与天然牙龈组织非常相似的多层结构。

3D 生物打印牙龈组织移植（在透明载玻片上）是使用专门的生物墨水创建的，该墨水支持健康细胞生长，同时保持结构完整性，以进行个性化牙科治疗。

牙科保健的未来

在牙科领域，生产效率更高、结构更完整、仿生性能更佳的个性化牙龈组织移植，有望解决牙周病和种植牙相关的长期临床难题。“这项研究展示了人工智能和3D生物打印如何融合，通过精准医疗解决复杂的医疗问题，”Sriram助理教授补充道。“通过针对个体患者优化组织移植，我们可以降低牙科手术的侵入性，同时确保更好的愈合和恢复。”

令人兴奋的是，这项研究的潜在影响远不止于牙科领域。“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，从而有可能减少甚至消除从患者体内获取组织的需要，”Sriram助理教授说道。

“这种程度的定制可以最大限度地减少伤口闭合期间的移植物变形和张力，从而降低并发症的风险、手术时间和患者的不适感。”牙周病专家、该研究的共同研究员、新加坡国立大学牙科学院的学术研究员 Jacob Chew 博士说。

此外，口腔组织的无疤痕愈合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）制造类似的移植物提供信息，从而可能有助于皮肤伤口的无疤痕愈合。

未来的研究将专注于将这些发现从实验室应用到临床。该团队计划进行体内研究，以评估移植物在口腔环境中的整合度和稳定性。他们还计划探索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、更具功能性的结构。研究人员希望凭借这些进展，推动再生牙科领域的发展，并为组织工程的更广泛应用铺平道路。