Các nhà khoa học y tế đang tìm kiếm những phương pháp mới để tái tạo các hệ thống sinh học phức tạp từ tế bào đã dẫn đến sự ra đời của công nghệ kỹ thuật mô của thế kỷ 21 được gọi là in sinh học 3D. Không nghi ngờ gì nữa, nghiên cứu về in sinh học 3D rất mới, mang tính đột phá và cũng đang mở rộng. Bằng cách tận dụng AI, công nghệ in sinh học 3D chỉ có thể trở nên tốt hơn.
AI in 3D Bioprinting là gì?
Theo báo cáo của Tổ chức Ghép tạng Hoa Kỳ, trung bình có 20 người chết vì chờ được ghép nội tạng mỗi ngày. Điều gì sẽ xảy ra nếu thay vì chờ đợi, các mô và cơ quan tùy chỉnh được tạo ra tại chỗ cho mọi bệnh nhân có nhu cầu? Đây là khái niệm đằng sau in sinh học 3D. AI in 3D Bioprinting mô và cơ quan là một lĩnh vực mới trong lĩnh vực kỹ thuật mô và y học tái tạo nhằm giải quyết vấn đề toàn cầu về tình trạng thiếu người hiến tặng mà những bệnh nhân đang rất cần ghép tạng phải đối mặt.
Để phát triển nguyên nhân này, các công nghệ hàng đầu từ các lĩnh vực sinh học tế bào gốc, khoa học vật liệu sinh học, y học và kỹ thuật đã được tích hợp để tạo ra một hệ thống chế tạo sinh học toàn diện và bùng nổ. Mục tiêu là tạo ra các mô được nuôi cấy nhân tạo có thể thay thế các mô bị hư hỏng thông qua phương pháp tiếp cận từ dưới lên.
Trong khi bàng quang vẫn là cơ quan duy nhất được in sinh học và cấy ghép thành công vào người, in sinh học 3D đã dẫn đến việc tái tạo thành công một số mô, bao gồm –– xương, sụn, mô tim, tế bào gan, lớp da, nẹp khí quản, và ghép mạch cho mục đích nghiên cứu thuốc. Quá trình chế tạo sinh học của toàn bộ các cơ quan chức năng như não, tim, phổi và thận có thể được cấy ghép vào cơ thể con người đang được tiến hành.
Lúc đầu, khái niệm chế tạo hệ thống sống cho con người dường như là không thể, nhưng khi in 3D, vốn được phát triển cho các ứng dụng phi sinh học bởi Charles Hull, tìm thấy đường đi vào dòng khoa học sự sống, điều này đã tự động định vị lại nó như một nền tảng- đột phá sự đổi mới trong việc chế tạo sinh học của các hệ thống sống.
In sinh học 3D –– người anh em họ của sản xuất phụ gia, sử dụng các quy trình phụ gia để tạo ra các mô sinh học theo kiểu từng lớp từ mô hình 3D kỹ thuật số bằng cách sử dụng kết hợp các tế bào, yếu tố tăng trưởng và vật liệu sinh học.
Không còn bao lâu nữa khi thiếu các chức năng tế bào mà nó được coi là phù hợp để thay thế khả thi, kỹ thuật in sinh học 3D ngày nay tạo ra các mô có đầy đủ chức năng dành riêng cho cơ quan với kích thước, chức năng, độ bền cơ học và mạch máu cần thiết để chúng được sử dụng trong việc khám phá thuốc, thay thế nội tạng, nghiên cứu nội tạng trên chip và chữa lành vết thương.
Cũng giống như mọi công nghệ mới AI in 3D Bioprinting không phải là không có thách thức. Và, khi thuật toán nhanh và thông minh của AI được đưa vào quy trình in sinh học 3D, nó có thể –– giảm nguy cơ lỗi, tinh chỉnh các thông số in và đẩy nhanh các quy trình tự động.
Rahul Roy, kỹ sư ứng dụng của công ty khoa học đời sống Cellink, một công ty in sinh học, tuyên bố, “AI chắc chắn sẽ có vai trò trong tương lai của ngành in sinh học”. Để xác định các lĩnh vực khả thi cho AI phát triển trong lĩnh vực này, việc hiểu rõ quy trình in sinh học 3D là điều không thể tránh khỏi.
Quy trình AI in 3D Bioprinting
Quá trình in sinh học một mô bắt đầu bằng việc xác định mô nào cần được in, hiểu mô sẽ hoạt động như thế nào và lên ý tưởng về cách cấu tạo mô để hiển thị các chức năng mong muốn. Sau khi cấu trúc mô được xác định, giao thức in sinh học 3D được lập bản đồ để cho phép chế tạo mô sống rõ ràng.
Khi các sợi sống được tạo ra từng lớp, các mô không đồng nhất được xác định rõ ràng được tạo ra. Không thể in sinh học nếu không có mực sinh học, máy in sinh học và quy trình in sinh học. Loại mực sinh học, công nghệ in và hình thức in sinh học được sử dụng phụ thuộc vào ô quan tâm và ứng dụng của mô được in.
Liên kết sinh học
Máy AI in 3D Bioprinting sử dụng mực sinh học –– một vật liệu có thể in được bao gồm các tế bào sống từ cơ thể bệnh nhân được nhúng trong vật liệu tương thích sinh học hoạt động như giàn giáo phân tử 3D.
Sau đó, mực sinh học được in 3D thành cấu trúc mô chức năng để cấy ghép, sàng lọc thuốc hoặc mô hình hóa bệnh tật. Mực sinh học giúp in 3D độ phân giải cao dễ dàng. Mực sinh học thân thiện với tế bào cũng tích hợp các tế bào sống thành các cấu trúc vi mô trong quá trình in. Điều này hỗ trợ chức năng sinh học của các mô được in.
Máy in sinh học 3D hoạt động giống như cách hoạt động của máy in 3D nhưng có một chút thay đổi. Máy in sinh học in bằng cách sử dụng các tệp kỹ thuật số 3D làm bản thiết kế trong khi sử dụng tế bào và vật liệu sinh học làm nguyên liệu ban đầu. In sinh học 3D cũng đảm bảo rằng các mô được mạch máu tốt để trao đổi máu, oxy và các chất dinh dưỡng khác.
Quá trình AI in 3D Bioprinting bao gồm ba giai đoạn.
Giai đoạn chuẩn bị AI in 3D Bioprinting
Quá trình in khăn giấy bắt đầu bằng việc tạo ra một thiết kế kỹ thuật số trong một chương trình mô hình 3D. Cấu trúc thiết kế 3D có nguồn gốc từ các kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh y sinh như chụp cắt lớp vi tính (CT), quét laser 3D hoặc quét hình ảnh cộng hưởng từ (MRI) trực tiếp từ bệnh nhân. Sau đó, các mô hình 3D chính xác về mặt giải phẫu được thiết kế bằng cách sử dụng thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính và phần mềm đồ họa sản xuất có sự hỗ trợ của máy tính (CAD / CAM).
Mô hình 3D được tải vào máy cắt lát. Máy cắt lát là một loại chương trình máy tính được tối ưu hóa đặc biệt. Nó phân tích hình học của mô hình để tạo ra một loạt các ngăn xếp 3D sẽ tạo thành hình dạng của mô được in. Sau khi mô hình được cắt lát, chúng được lưu trữ dưới dạng mã G và được gửi đến máy in sinh học 3D để in.
Giai đoạn ai in 3d bioprinting
Mã G là một loạt lệnh hướng dẫn máy in sinh học cách chế tạo mô 3D từng lớp. Tùy thuộc vào mô cần in, nhà khoa học nghiên cứu –– chọn mực sinh học, trộn nó với tế bào dành riêng cho mô, nạp mực sinh học chứa đầy tế bào vào hộp mực và đưa vào máy in. Khi máy in nhận được dữ liệu về các thông số điều khiển từ mã G, điều này sẽ đặt tốc độ cho giai đoạn in sinh học. Giai đoạn in sinh học hoàn thành sau khi tất cả các lệnh mã G được thực thi.
Giai đoạn Post Bioprinting
Sau khi in sinh học, các cấu trúc đã chế tạo được ổn định bằng cách liên kết ngang. Trong quá trình liên kết chéo, các cấu trúc có thể được xử lý bằng dung dịch ion hoặc tia UV, tùy thuộc vào cách trang điểm.
Việc có các mô không đồng nhất với các vùng được xác định rõ nhưng thiếu các chức năng sinh học sẽ cản trở mục tiêu in sinh học 3D. Do đó, để tái tạo các chức năng sinh học có trong tế bào sống, cấu trúc của bản in sinh học được nuôi cấy trong các môi trường nuôi cấy chuyên biệt trong điều kiện có kiểm soát trong một số ngày.
Trong quá trình trưởng thành này, các tế bào được in tạo thành mạng lưới liên kết với nhau dẫn đến các mô có tiềm năng sinh lý. Thủ tục này rất quan trọng vì nó giúp cấu trúc mô đạt được chức năng sinh lý sinh học mong muốn. Sau khi mô đã được sản xuất, nó đã sẵn sàng để sử dụng.
Ai có thể AI in 3D Bioprinting?
Không thể nghi ngờ rằng sự kết hợp của hai công nghệ đột phá chỉ có thể dẫn đến một thế giới của những khả năng không thể tưởng tượng được. 3D đã đạt được tiến bộ lớn trong việc cung cấp các sản phẩm sinh học chức năng đồng thời thúc đẩy quá trình sản xuất các mô hình xét nghiệm mới để dự báo tác động của thuốc ở người. Tuy nhiên, những thách thức trong các giai đoạn khác nhau của quy trình AI in 3D Bioprinting mang đến những cơ hội thú vị cho AI.
Đầu tiên, vật liệu phân hủy sinh học được sử dụng để duy trì hình dạng của mô in có thể gây ra phản ứng miễn dịch và gây ra độc tính cho tế bào. May mắn thay, chúng ta có hệ thống miễn dịch nhân tạo bắt chước các phản ứng miễn dịch của con người.
Hệ thống miễn dịch nhân tạo có thể phát hiện bất kỳ phản ứng miễn dịch bất thường hoặc xâm nhập nào mà mô có thể tạo ra khi được cấy ghép vào cơ thể người. AI cũng có thể dự đoán kết quả của các ứng dụng khác nhau của bản in 3D trước khi sử dụng; điều này sẽ làm giảm tỷ lệ thất bại trong các thử nghiệm lâm sàng.
Tuy nhiên, về khả năng tương thích sinh học, AI có thể đưa ra đề xuất về các thông số in tốt nhất có thể cần thiết để tạo ra mô tương thích sinh học với trang điểm sinh lý của bệnh nhân,
Từ khóa:
- machine learning in 3d bioprinting
Nội dung liên quan:
- 21 công cụ quảng cáo trên Facebook sẽ giúp công việc của bạn dễ dàng hơn
- Quảng cáo trên mạng xã hội 101: Cách tận dụng tối đa ngân sách quảng cáo
- Cách giám sát đối thủ cạnh tranh của bạn để tăng chuyển đổi
