ИИ превращает принтер в партнёра по тканевой инженерии

Команда Риккардо Левато из Медицинского центра Утрехтского университета (UMC Utrecht) и Утрехтского университета сделала важный шаг к печати имплантируемых тканей. С помощью компьютерного зрения, раздела искусственного интеллекта (ИИ), они разработали 3D-принтер, который не только печатает, но и видит, и даже участвует в проектировании.

Исследование опубликовано в журнале Nature. Инновация решает одну из главных проблем 3D-биопечати: повышение выживаемости и функциональности клеток в печатной живой ткани.

Обычно 3D-печать ассоциируется с послойным построением. Но существует и другой метод — объёмная биопечать. Эта техника создаёт целую структуру за один шаг, используя светочувствительный гель, который затвердевает под воздействием безопасного для клеток лазерного света. Преимущества: невероятная скорость (секунды) и бережное отношение к живым клеткам.

Новая технология, названная GRACE (Generative, Adaptive, Context-Aware 3D printing), позволяет понять, что находится внутри печатного материала, чтобы построить объект оптимально. Это открывает новые возможности для биопечати функциональных тканей.

Что такое 3D-биопечать?

В 3D-биопечати вместо пластика используют живые клетки для создания функциональных тканей и органов. Клетки хрупки, поэтому команда Левато разработала специальный биочернила — смесь живых клеток и питательных гелей, защищающих клетки.

Объёмная биопечать быстрее и бережнее для клеток. «Чтобы построить структуру, мы проецируем серию световых паттернов в вращающуюся пробирку, заполненную светочувствительным гелем и клетками, — объясняет Левато. — Там, где лучи света сходятся, материал затвердевает. Это создаёт целый 3D-объект за один раз». Для этого критически важно точно знать, где находятся клетки в геле. GRACE делает это возможным.

Умные кровеносные сосуды вокруг живых клеток

Одна из главных задач — создание функциональных кровеносных сосудов для доставки кислорода и питательных веществ клеткам.

В обычных методах 3D-дизайн создаётся до того, как известно расположение клеток в геле. GRACE позволяет принтеру "увидеть", где находятся клетки, и за секунды спроектировать оптимальную сеть кровеносных сосудов вокруг них.

«Раньше печать всегда зависела от чертежа дизайнера. Теперь GRACE вносит вклад в сам дизайн, — объясняет аспирант Сэмми Флорчак. — Принтер "видит", какие клетки в материале и где они. Затем с помощью инструментов ИИ он создаёт соответствующий дизайн для печатаемого объекта. Этот новый принтер, по сути, имеет свои "глаза" (лазерная визуализация) и "мозг" (новое ПО на основе ИИ). Такой уровень кастомизации приводит к лучшей выживаемости и функциональности тканей».

GRACE также может автоматически согласовывать несколько этапов печати. Например, отсканировать существующую костную ткань и автоматически спроектировать и напечатать идеально подходящий слой хряща сверху — всё с высокой скоростью объёмной печати, создавая объекты размером в см³ за секунды.

Технология также решает проблему затенения светом ранее напечатанных частей структуры. Сканируя поверхность препятствий, система автоматически корректирует проекцию света, делая печать более точной. Это также позволяет помещать в печатный флакон готовые объекты, например, стент, в который можно печатать клетки сосудов.

Только начало

«Эта первая работа над GRACE — только начало, — говорит Риккардо. — Мы работаем над увеличением количества клеток для печати таких тканей, как сердце и печень. Кроме того, мы хотели бы сделать эту технику открыто доступной для других лабораторий».