AI i biodruk 3D rewolucjonizują przeszczepy tkanek miękkich jamy ustnej

Naukowcy z Narodowego Uniwersytetu Singapuru (National University of Singapore, NUS) opracowali nowatorską metodę tworzenia indywidualnych przeszczepów dziąsła z wykorzystaniem biodruku 3D wspomaganego przez sztuczną inteligencję.

Zespół badaczy z Narodowego Uniwersytetu Singapuru, którym kieruje dr Gopu Sriram z Wydziału Stomatologii NUS, opracował innowacyjną metodę tworzenia spersonalizowanych przeszczepów dziąsła przy użyciu biodruku 3D i sztucznej inteligencji (AI). Nowa technologia stanowi mniej inwazyjną i bardziej dostosowaną do potrzeb pacjenta alternatywę wobec tradycyjnych metod chirurgicznych, które wymagają pobierania tkanek z jamy ustnej chorego.

Naukowcy twierdzą, że zastosowanie biodruku 3D w połączeniu z AI pozwala skutecznie odpowiadać na wyzwania współczesnej stomatologii. Chodzi głównie o leczenie ubytków tkanek miękkich dziąsła spowodowanych chorobami przyzębia czy powikłaniami po wszczepieniu implantów. Opracowana technika umożliwia tworzenie struktur tkankowych idealnie dopasowanych do anatomii konkretnego pacjenta, co przekłada się na lepsze wyniki leczenia, mniejsze dolegliwości bólowe oraz ograniczenie ryzyka infekcji i powikłań pooperacyjnych.

AI przyspiesza i usprawnia proces biodruku

Przeszczepy tkanek dziąsłowych odgrywają kluczową rolę w leczeniu m.in recesji dziąseł czy powikłań po terapii periodontologicznej i implantologicznej. Dotychczas najczęściej stosowanym rozwiązaniem było chirurgiczne pobieranie tkanek z podniebienia pacjenta, co jednak wiąże się z bólem, ograniczoną ilością dostępnego materiału i ryzykiem powikłań.

Aby rozwiązać te problemy, naukowcy z NUS opracowali specjalny bioatrament wspierający wzrost zdrowych komórek, zachowujący kształt i strukturę podczas drukowania. Następnie wykorzystali biodruk 3D do wytwarzania przeszczepów dokładnie dopasowanych do wymiarów ubytków u pacjentów.

Kluczowym wyzwaniem przy tworzeniu przeszczepów w technologii biodruku 3D była optymalizacja parametrów, takich jak ciśnienie wytłaczania, prędkość druku, lepkość bioatramentu, średnica dyszy czy temperatura głowicy. Wcześniej ich dobór wymagał żmudnych prób, pochłaniających ogromne ilości czasu i zasobów, dlatego naukowcy z Singapuru zintegrowali z procedurą sztuczną inteligencję.

– Dzięki AI liczba potrzebnych prób spadła z tysięcy do zaledwie 25 kombinacji, co znacznie zwiększyło efektywność i precyzję procesu – powiedział cytowany w komunikacie prof. Dean Ho, współautor publikacji, kierownik Katedry Inżynierii Biomedycznej na NUS.

Zespół podkreśla, że to jedno z pierwszych zastosowań integrujących biodruk 3D i AI w celu biofabrykacji personalizowanych przeszczepów tkanek miękkich jamy ustnej. – Biodruk 3D jest znacznie bardziej wymagający niż klasyczny druk 3D, ponieważ pracujemy z żywymi komórkami – dodał dr Gopu Sriram, kierownik zespołu ds. zastosowań stomatologicznych w Centrum Druku 3D przy NUS.

Uzyskane przeszczepy wykazały wysokie właściwości biomimetyczne — ponad 90% komórek pozostało żywych po wydrukowaniu i podczas 18-dniowej hodowli, a badania histologiczne potwierdziły obecność kluczowych białek oraz wielowarstwową strukturę przypominającą naturalne tkanki dziąsła.

– Tak wysoki stopień personalizacji zmniejsza ryzyko deformacji przeszczepu i napięcia w miejscu zamknięcia rany, co skraca czas operacji i zmniejsza dyskomfort – powiedział dr Jacob Chew, periodontolog i współautor badania.

Nowy rozdział w stomatologii regeneracyjnej

Możliwość tworzenia personalizowanych przeszczepów dziąsła o wysokiej integralności strukturalnej i właściwościach zbliżonych do naturalnych tkanek daje nadzieję na skuteczniejsze leczenie trudnych przypadków periodontologicznych i implantologicznych. – Nasze badania pokazują, jak AI i biodruk 3D mogą wspólnie rozwiązywać złożone problemy medyczne w duchu medycyny precyzyjnej – podkreślił dr Sriram. – Dzięki indywidualnemu dopasowaniu przeszczepów możemy ograniczyć inwazyjność zabiegów i poprawić proces gojenia.

Zastosowanie tej technologii może jednak wykraczać poza stomatologię. – Biodruk 3D umożliwia tworzenie przeszczepów dokładnie dopasowanych do ran pacjenta, co w przyszłości może wyeliminować konieczność pobierania tkanek z ciała – zaznaczył dr Sriram.

Naukowcy podkreślają, że tkanki jamy ustnej mają naturalną zdolność do gojenia się bez tworzenia blizn, co czyni je doskonałym modelem do badań nad podobnymi przeszczepami stosowanymi np. w leczeniu ran skórnych. W kolejnych etapach badacze planują przeprowadzenie badań in vivo, aby ocenić integrację i trwałość przeszczepów w warunkach klinicznych. Zespół zamierza także eksplorować biodruk wielomateriałowy w celu tworzenia przeszczepów zintegrowanych z układem naczyniowym. To może otworzyć nową erę w stomatologii regeneracyjnej i inżynierii tkankowej.

Podsumowujący wyniki badań artykuł „3D Bioprinting and Artificial Intelligence-Assisted Biofabrication of Personalized Oral Soft Tissue Constructs” opublikowano w grudniu 2024 r. w czasopiśmie „Advanced Healthcare Materials”.

– Guided Tissue Regeneration i Guided Bone Regeneration są zabiegami, które wykorzystuje się od lat w tzw. sterowanej regeneracji tkanek. Może ona dotyczyć tkanki miękkiej, przede wszystkim chodzi tutaj o dziąsło otaczające ząb we wszelkiego rodzaju recesjach i oczywiście ubytki kostne. Żeby przejść do tych zabiegów, pacjent musi być zakwalifikowany, musi być wykluczona możliwość innego leczenia, np. zachowawczego – mówi dr hab. n. med. Maciej Czerniuk, specjalista z zakresu periodontologii I st. i chirurgii stomatologicznej II st., adiunkt w Zakładzie Chirurgii Stomatologicznej na Wydziale Lekarsko-Stomatologicznym Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego.

Źródło, zdjęcie: https://news.nus.edu.sg