新加坡国立大学（NUS）的一组研究人员开发了一种利用创新的3D生物打印与人工智能（AI）相结合的方法来制造个性化的牙龈（牙床）组织移植物。该研究由新加坡国立大学牙科学院助理教授Gopu Sriram领导，提供了一种比传统移植方法更具定制性和侵入性更小的替代方案。传统方法通常需要从患者口腔中提取组织，这一过程不仅会让患者感到不适，还受限于合适组织的可用性。
这种结合3D生物打印与AI的技术能够更有效地应对牙科手术中的关键挑战，例如修复由牙周病或种植牙并发症引起的牙龈缺陷。例如，通过精准制造符合个体患者需求的组织结构，这种方法可以显著改善治疗效果、减少患者的不适感，并在恢复期间降低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《先进医疗材料》期刊上，并得到了国家增材制造创新集群（NAMIC）和新加坡国立大学卫生系统（NUHS）的资助支持。
利用AI加速生物打印流程
牙龈组织移植物在牙科护理中至关重要，尤其是在处理诸如牙龈退缩等黏膜牙龈缺陷以及牙周病或种植牙并发症时。通常情况下，这些移植物是从患者口腔中提取的。尽管这种方法有效，但也存在显著缺点：患者不适、组织可用性有限以及术后并发症风险较高。
为了解决这些问题，研究人员转向了3D生物打印技术，这是一种可以根据每位患者缺损的具体尺寸制造定制化组织移植物的技术。他们开发了一种专门的生物墨水，这种墨水既能支持健康细胞的生长，又能确保材料可以被精确打印并保持其形状和结构。
然而，3D生物打印的成功与否取决于打印过程中应用的参数。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特性和性能起着至关重要的作用。传统上，优化这些参数需要通过繁琐的手动试验和错误方法，这极其耗时且耗费资源。
“为了加快3D生物打印流程，我们将人工智能整合到我们的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、本文共同通讯作者Dean Ho教授表示。“这种方法通过将优化生物打印参数所需的实验数量从可能的数千次减少到仅25种组合，大大简化了流程。”Ho教授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N.1健康研究所（N.1）的主任。
团队采用的AI驱动工作流程极大地提高了效率，节省了时间和资源，同时确保了能够创建具有精确尺寸和结构完整性的组织结构。
“我们的研究是最早将3D生物打印与AI技术相结合用于定制化口腔软组织结构生物制造的研究之一，”Sriram助理教授表示，他也是新加坡国立大学增材制造中心（AM.NUS）牙科和颅面3D打印应用领域的联合负责人。“3D生物打印远比传统的3D打印更具挑战性，因为它涉及活细胞，这为打印过程引入了许多复杂性。”
经过生物打印的牙龈组织移植物表现出强大的仿生特性，在打印后立即和为期18天的培养期内，细胞存活率保持在90%以上。移植物还保持了其形状和结构完整性，而组织学分析证实了关键蛋白质的存在以及多层结构，这些特性与天然牙龈组织非常相似。
牙科护理的未来
在牙科领域，生产具有更高效率、结构完整性和仿生特性的个性化牙龈组织移植物，可以解决与牙周疾病和种植牙相关的长期临床挑战。“这项研究展示了AI和3D生物打印如何通过精准医学解决复杂的医学问题，”Sriram助理教授补充道。“通过为每位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，这项研究的潜在影响不仅限于牙科领域。“3D生物打印使我们能够创建与患者伤口尺寸完全匹配的组织移植物，从而有可能减少甚至消除从患者身体提取组织的需求，”Sriram助理教授说道。
“这种级别的定制化最大限度地减少了伤口闭合期间移植物的变形和张力，降低了并发症风险，缩短了手术时间并减少了患者的不适感，”新加坡国立大学牙科学院学术研究员兼牙周病专家Jacob Chew博士表示。
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能会指导类似移植物的制造，例如皮肤等屏障组织，从而有助于无疤痕愈合皮肤伤口。
未来的研究将集中于将这些发现从实验室转化为临床应用。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性和稳定性。他们还旨在通过多材料生物打印探索将血管整合到移植物中，以创造更复杂和功能化的结构。通过这些发展，研究人员希望推动再生牙科的发展，同时为组织工程的更广泛应用铺平道路。
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