Data science

AI ใน 3D Bioprinting

นักวิทยาศาสตร์การแพทย์ที่มองหาวิธีใหม่ๆ ในการสร้างระบบทางชีววิทยาที่ซับซ้อนขึ้นใหม่จากเซลล์ ได้นำไปสู่การถือกำเนิดของเทคโนโลยีวิศวกรรมเนื้อเยื่อแห่งศตวรรษที่ 21 ที่เรียกว่าการพิมพ์ชีวภาพสามมิติ โดยไม่มีคำถาม การวิจัยเกี่ยวกับการพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติเป็นเรื่องใหม่ ก่อกวน และขยายตัวเช่นกัน ด้วยการใช้ประโยชน์จาก AI เทคโนโลยีการพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติจะดีขึ้นเท่านั้น ตามรายงานของ The American Transplant Foundation มีคนโดยเฉลี่ย 20 เสียชีวิตเพื่อรอการปลูกถ่ายอวัยวะทุกวัน จะเกิดอะไรขึ้นถ้าแทนที่จะรอ เนื้อเยื่อและอวัยวะที่ปรับแต่งเองถูกสร้างขึ้นในสถานที่สำหรับผู้ป่วยทุกรายที่ต้องการเนื้อเยื่อ นี่คือแนวคิดเบื้องหลังการพิมพ์ 3 มิติชีวภาพ 3D bioprinting ของเนื้อเยื่อและอวัยวะเป็นสาขาใหม่ในด้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อและเวชศาสตร์ฟื้นฟูเพื่อแก้ไขปัญหาทั่วโลกของการขาดแคลนผู้บริจาคซึ่งต้องเผชิญกับผู้ป่วยที่ต้องการการปลูกถ่ายอวัยวะอย่างมาก เพื่อพัฒนาสาเหตุนี้ เทคโนโลยีชั้นยอดจากสาขาชีววิทยาสเต็มเซลล์ วิทยาศาสตร์วัสดุชีวภาพ การแพทย์ และวิศวกรรมศาสตร์ ถูกรวมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างระบบการผลิตทางชีวภาพที่ครอบคลุมและระเบิดได้ เป้าหมายคือการผลิตเนื้อเยื่อเทียมที่สามารถทดแทนเนื้อเยื่อที่เสียหายได้ด้วยวิธีจากล่างขึ้นบน ในขณะที่กระเพาะปัสสาวะยังคงเป็นอวัยวะเดียวที่พิมพ์ทางชีวภาพและปลูกถ่ายมนุษย์ได้สำเร็จ การพิมพ์ทางชีวภาพ 3 มิติได้นำไปสู่การงอกใหม่ของเนื้อเยื่อต่างๆ ที่ประสบความสำเร็จ รวมถึง –– กระดูก กระดูกอ่อน เนื้อเยื่อหัวใจ เซลล์ตับ ชั้นผิวหนัง เฝือกหลอดลม และการปลูกถ่ายหลอดเลือดเพื่อการวิจัยยา การสร้างทางชีวภาพของอวัยวะทั้งหมดที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์ เช่น สมอง หัวใจ ปอด และไต ที่สามารถฝังลงในร่างกายมนุษย์ได้กำลังอยู่ในระหว่างดำเนินการ ในตอนแรก แนวคิดในการสร้างระบบสิ่งมีชีวิตสำหรับมนุษย์ดูเหมือนเป็นไปไม่ได้ แต่เมื่อการพิมพ์ 3 มิติ ซึ่งเดิมพัฒนาขึ้นสำหรับการใช้งานที่ไม่ใช่ชีวภาพโดย Charles Hull ค้นพบทางเข้าสู่กระแสวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิต สิ่งนี้ได้เปลี่ยนตำแหน่งโดยอัตโนมัติเป็นพื้นฐาน- ทำลายนวัตกรรมในการผลิตทางชีวภาพของระบบสิ่งมีชีวิต การพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติ – ลูกพี่ลูกน้องของการผลิตสารเติมแต่ง ใช้กระบวนการเติมแต่งเพื่อสร้างเนื้อเยื่อชีวภาพในแบบเลเยอร์ต่อชั้นจากแบบจำลอง 3 มิติดิจิทัลโดยใช้การผสมผสานของเซลล์ ปัจจัยการเจริญเติบโต และวัสดุชีวภาพ ไม่ไกลจากการขาดหน้าที่ของเซลล์ที่คิดว่าเหมาะสมที่จะทดแทนการทำงานได้อีกต่อไป การพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติในปัจจุบันสร้างเนื้อเยื่อเฉพาะอวัยวะที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์ด้วยขนาด หน้าที่ ความแข็งแรงเชิงกล และหลอดเลือดที่จำเป็นสำหรับพวกเขาในการค้นคว้ายา การเปลี่ยนอวัยวะ การวิจัยอวัยวะบนชิป และการรักษาบาดแผล เช่นเดียวกับเทคโนโลยีใหม่อื่นๆ การพิมพ์ชีวภาพแบบ 3 มิติไม่ได้ปราศจากความท้าทาย และเมื่อมีการแนะนำอัลกอริธึมที่รวดเร็วและชาญฉลาดของ AI เข้าไปในเวิร์กโฟลว์การพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติ ก็สามารถลดความเสี่ยงของข้อผิดพลาด ปรับแต่งพารามิเตอร์การพิมพ์ และเร่งกระบวนการอัตโนมัติได้ Rahul Roy วิศวกรแอปพลิเคชันที่ Cellink Life Sciences ซึ่งเป็นบริษัทด้านการพิมพ์ชีวภาพกล่าวว่า “AI จะมีบทบาทอย่างแน่นอนในอนาคตของการพิมพ์ชีวภาพ” เพื่อระบุขอบเขตที่เป็นไปได้สำหรับ AI ที่จะเติบโตในด้านนี้ การทำความเข้าใจกระบวนการ 3D bioprinting เป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ กระบวนการพิมพ์ทางชีวภาพ 3 มิติ กระบวนการพิมพ์ทางชีวภาพของเนื้อเยื่อเริ่มต้นด้วยการกำหนดว่าเนื้อเยื่อใดจำเป็นต้องพิมพ์ ทำความเข้าใจว่าเนื้อเยื่อควรทำงานอย่างไร และกำหนดแนวคิดในการสร้างเนื้อเยื่อเพื่อแสดงหน้าที่ที่ต้องการ เมื่อกำหนดโครงสร้างเนื้อเยื่อแล้ว โปรโตคอลการพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติจะถูกแมปออกมาเพื่อให้สามารถประดิษฐ์เนื้อเยื่อที่มีชีวิตได้อย่างชัดเจน เนื่องจากเส้นใยที่มีชีวิตถูกสร้างขึ้นทีละชั้น เนื้อเยื่อต่างชนิดกันที่กำหนดไว้อย่างดีจึงถูกสร้างขึ้น การพิมพ์ทางชีวภาพเป็นไปไม่ได้หากไม่มีหมึกชีวภาพ เครื่องพิมพ์ชีวภาพ และกระบวนการพิมพ์ชีวภาพ ประเภทของหมึกชีวภาพ เทคโนโลยีการพิมพ์ และรูปแบบการพิมพ์ชีวภาพที่ใช้ขึ้นอยู่กับเซลล์ที่สนใจและการประยุกต์ใช้เนื้อเยื่อที่พิมพ์ เครื่องพิมพ์ชีวภาพ Bioink A 3D ใช้หมึกชีวภาพ ซึ่งเป็นวัสดุที่พิมพ์ได้ซึ่งประกอบด้วยเซลล์ที่มีชีวิตจากร่างกายของผู้ป่วยที่ฝังอยู่ในวัสดุที่เข้ากันได้ทางชีวภาพซึ่งทำหน้าที่เป็นโครงยึดโมเลกุล 3 มิติ จากนั้นหมึกชีวภาพจะถูกพิมพ์ 3 มิติลงในโครงสร้างเนื้อเยื่อที่ใช้งานได้ ทั้งสำหรับการปลูกถ่าย การคัดกรองยา หรือการสร้างแบบจำลองโรค หมึกชีวภาพทำให้การพิมพ์ 3D ความละเอียดสูงเป็นเรื่องง่าย หมึกชีวภาพที่เป็นมิตรต่อเซลล์ยังรวมเซลล์ที่มีชีวิตเข้าไว้ในโครงสร้างจุลภาคระหว่างกระบวนการพิมพ์ สิ่งนี้ช่วยการทำงานทางชีวภาพของเนื้อเยื่อที่พิมพ์ออกมา เครื่องพิมพ์ชีวภาพ เครื่องพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติทำงานในลักษณะเดียวกับเครื่องพิมพ์ 3 มิติ แต่มีการบิดเบี้ยวเล็กน้อย เครื่องพิมพ์ชีวภาพพิมพ์โดยใช้ไฟล์ดิจิทัล 3 มิติเป็นพิมพ์เขียวในขณะที่ใช้เซลล์และวัสดุชีวภาพเป็นวัสดุเริ่มต้น การพิมพ์ชีวภาพแบบ 3 มิติยังช่วยให้มั่นใจว่าเนื้อเยื่อได้รับการสร้างหลอดเลือดอย่างดีสำหรับการแลกเปลี่ยนเลือด ออกซิเจน และสารอาหารอื่นๆ กระบวนการ 3D Bioprinting กระบวนการ 3D Bioprinting ประกอบด้วยสามขั้นตอน ขั้นตอนการเตรียมการ กระบวนการพิมพ์เนื้อเยื่อเริ่มต้นด้วยการสร้างการออกแบบดิจิทัลในโปรแกรมการสร้างแบบจำลอง 3 มิติ โครงสร้างการออกแบบ 3 มิติมีที่มาจากเทคนิคการถ่ายภาพเพื่อการวินิจฉัยทางชีวการแพทย์ เช่น การตรวจเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ (CT) การสแกนด้วยเลเซอร์ 3 มิติ หรือการสแกนด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก (MRI) โดยตรงจากผู้ป่วย จากนั้นโมเดล 3 มิติที่มีความแม่นยำทางกายวิภาคจะได้รับการออกแบบโดยใช้การออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วยและซอฟต์แวร์กราฟิกการผลิตโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย (CAD/CAM) โมเดล 3 มิติถูกโหลดลงในตัวแบ่งส่วนข้อมูล ตัวแบ่งส่วนข้อมูลเป็นโปรแกรมคอมพิวเตอร์ประเภทที่ปรับให้เหมาะสมเป็นพิเศษ โดยจะวิเคราะห์รูปทรงเรขาคณิตของแบบจำลองเพื่อสร้างชุดของสแต็ก 3 มิติที่จะสร้างรูปร่างของเนื้อเยื่อที่พิมพ์ออกมา เมื่อโมเดลถูกหั่นเป็นชิ้น ๆ แล้ว โมเดลจะถูกเก็บไว้เป็น G-code และส่งไปยังเครื่องพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติเพื่อทำการพิมพ์ ขั้นตอนการพิมพ์ทางชีวภาพ G-codes คือชุดคำสั่งที่จะแนะนำเครื่องพิมพ์ชีวภาพเกี่ยวกับวิธีสร้างเนื้อเยื่อ 3 มิติจากชั้นหนึ่งไปยังอีกชั้นหนึ่ง นักวิทยาศาสตร์ด้านการวิจัยจะเลือกหมึกชีวภาพ ผสมกับเซลล์เฉพาะเนื้อเยื่อ โดยขึ้นอยู่กับเนื้อเยื่อที่จะพิมพ์ บรรจุหมึกชีวภาพที่บรรจุเซลล์ลงในตลับหมึก และวางลงในเครื่องพิมพ์ เมื่อเครื่องพิมพ์ได้รับข้อมูลเกี่ยวกับพารามิเตอร์ควบคุมจากรหัส G จะเป็นตัวกำหนดจังหวะสำหรับขั้นตอนการพิมพ์ชีวภาพ ขั้นตอนการพิมพ์ชีวภาพจะเสร็จสิ้นเมื่อดำเนินการคำสั่ง G-code ทั้งหมด ขั้นตอนหลังการพิมพ์ชีวภาพ หลังจากการพิมพ์ชีวภาพ โครงสร้างที่ประดิษฐ์ขึ้นจะมีเสถียรภาพโดยการเชื่อมขวาง ในระหว่างกระบวนการเชื่อมขวาง โครงสร้างสามารถถูกบำบัดด้วยสารละลายไอออนิกหรือแสงยูวี ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการแต่งหน้า การมีเนื้อเยื่อที่ต่างกันซึ่งมีบริเวณที่กำหนดไว้อย่างชัดเจนซึ่งไม่มีหน้าที่ทางชีววิทยาจะขัดขวางเป้าหมายของการพิมพ์ 3 มิติทางชีวภาพ ดังนั้น เพื่อสร้างหน้าที่ทางชีววิทยาที่มีอยู่ในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตขึ้นใหม่ โครงสร้างของ bio-print จะเติบโตในอาหารเลี้ยงเชื้อเฉพาะภายใต้สภาวะที่มีการควบคุมเป็นเวลาบางวัน ในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตเต็มที่ เซลล์ที่พิมพ์จะสร้างเครือข่ายที่เชื่อมต่อถึงกัน ส่งผลให้เนื้อเยื่อมีศักยภาพทางสรีรวิทยา ขั้นตอนนี้มีความสำคัญเนื่องจากช่วยให้การสร้างเนื้อเยื่อบรรลุการทำงานทางสรีรวิทยาตามที่ต้องการ หลังจากผลิตทิชชู่แล้ว ก็พร้อมใช้งาน AI เข้ามาทำไบโอปริ้นท์ 3 มิติได้ที่ไหน? ไม่อาจโต้แย้งได้ว่าการผสมผสานระหว่างสองเทคโนโลยีที่ก่อกวนจะนำไปสู่โลกแห่งความเป็นไปได้ที่เหนือจินตนาการเท่านั้น 3D มีความก้าวหน้าอย่างมากในการทำให้ผลิตภัณฑ์ชีวภาพที่ใช้งานได้พร้อมใช้ ในขณะที่เดินหน้าผลิตแบบจำลองการทดสอบใหม่ๆ เพื่อคาดการณ์ผลกระทบของยาในมนุษย์ด้วย อย่างไรก็ตาม ความท้าทายในขั้นตอนต่างๆ ของเวิร์กโฟลว์การพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติทำให้เกิดโอกาสที่น่าตื่นเต้นสำหรับ AI ประการแรก วัสดุที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพที่ใช้เพื่อรักษารูปร่างของเนื้อเยื่อที่พิมพ์สามารถกระตุ้นการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันและทำให้เกิดความเป็นพิษต่อเซลล์ โชคดีที่เรามีระบบภูมิคุ้มกันที่เลียนแบบการตอบสนองของภูมิคุ้มกันของมนุษย์ ระบบภูมิคุ้มกันเทียมสามารถตรวจจับการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันที่ผิดปกติหรือล่วงล้ำใดๆ ที่เนื้อเยื่ออาจเกิดขึ้นเมื่อปลูกฝังในร่างกายมนุษย์ AI ยังสามารถทำนายผลลัพธ์ของแอพพลิเคชั่นต่างๆ ของการพิมพ์ 3 มิติก่อนใช้งาน สิ่งนี้จะลดอัตราความล้มเหลวในการทดลองทางคลินิก อย่างไรก็ตาม ในเรื่องความเข้ากันได้ทางชีวภาพ AI สามารถให้คำแนะนำเกี่ยวกับพารามิเตอร์การพิมพ์ที่ดีที่สุดเท่าที่จำเป็นในการผลิตเนื้อเยื่อที่เข้ากันได้ทางชีวภาพกับองค์ประกอบทางสรีรวิทยาของผู้ป่วย โดยการวิเคราะห์ข้อมูลและระบุรูปแบบในทุกขั้นตอนของกระบวนการพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติ ประการที่สอง กระบวนการพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติส่วนใหญ่ไม่สามารถปรับขนาดได้อย่างมีประสิทธิภาพเนื่องจากความเสียหายของเซลล์ในระหว่างกระบวนการพิมพ์ทางชีวภาพ ความเสียหายของเซลลูลาร์ส่งผลต่อการโต้ตอบของเซลล์ ดังนั้นจึงมีความจำเป็นต้องคาดการณ์ความเค้นเฉือนสูงสุดที่เซลล์สามารถทนต่อและยังคงรักษาศักยภาพทางสรีรวิทยาไว้ได้ การผสานรวมแมชชีนเลิร์นนิงในระดับแนวหน้าของซอฟต์แวร์ไบโอพรินเตอร์และรหัส G สามารถแนะนำขนาดหัวฉีดของเครื่องพิมพ์ที่เหมาะสมที่สุดเพื่อใช้ในการปรับอัตราการอัดรีด ด้วยการปรับแต่งพารามิเตอร์การพิมพ์ชีวภาพทั้งหมดอย่างแม่นยำ AI สามารถเร่งเวลาการพิมพ์ เพิ่มความละเอียด และขจัดความเสี่ยงของการปนเปื้อนของเซลล์ ไม่ใช่เรื่องง่ายๆ ที่อนาคตของ AI ในการพิมพ์ 3 มิติคือตอนนี้ เนื่องจากเป็นโอกาสที่น่าตื่นเต้นสำหรับผู้เชี่ยวชาญ วิศวกร และนักวิจัยด้านการแพทย์ของ AI ในการใช้ประโยชน์จากความเชี่ยวชาญของพวกเขา อย่างไรก็ตาม มีข้อมูลมากมายเกี่ยวกับเรื่องนี้ ดังนั้น การสร้างข้อมูลขนาดใหญ่ การสร้างฐานข้อมูลจึงเป็นสิ่งจำเป็น หากการพิมพ์ชีวภาพแบบ 3 มิติจะใช้ประโยชน์จากข้อได้เปรียบของ AI ได้อย่างเต็มที่

  • บ้าน
  • ธุรกิจ
  • วิทยาศาสตร์ข้อมูล
  • การตลาดดิจิทัล

  • ตลาดการค้า
  • Leave a Reply

    Your email address will not be published. Required fields are marked *

    Back to top button