Sztuczna inteligencja zmienia drukarkę w partnera inżynierii tkankowej

Dawcy narządów mogą uratować życie, na przykład pacjentom z niewydolnością nerek. Niestety, dawców jest zbyt mało, a listy oczekujących są długie. Druk 3D (części) narządów może w przyszłości stać się rozwiązaniem tego problemu. Jednak bioprinting, czyli drukowanie żywych tkanek, to proces niezwykle złożony i wymagający.

Zespół Riccardo Levato z UMC Utrecht i Uniwersytetu w Utrechcie zrobił właśnie ważny krok w kierunku drukowania implantowalnych tkanek. Wykorzystując widzenie komputerowe, będące działem sztucznej inteligencji (AI), opracowali drukarkę 3D, która nie tylko drukuje, ale również „widzi” i współtworzy projekt. Ich innowacja została opisana na łamach czasopisma Nature. Dzięki niej udało się rozwiązać jeden z największych problemów w bioprintingu: poprawę przeżywalności i funkcjonalności komórek w drukowanej tkance.

Czym jest bioprinting 3D?

W bioprintingu zamiast plastiku używa się żywych komórek, aby tworzyć funkcjonalne tkanki i narządy. Wyzwaniem jest jednak kruchość komórek, które nie przeżyłyby standardowego procesu druku 3D. Dlatego zespół Levato opracował specjalny bio-atrament – mieszaninę żywych komórek i żeli odżywczych chroniących je w trakcie procesu.

Druk wolumetryczny – szybkość i delikatność

Klasyczny druk warstwa po warstwie jest czasochłonny i obciąża komórki. Alternatywą jest druk wolumetryczny, polegający na jednoczesnym utworzeniu całej struktury w świetłoczułym żelu przy użyciu lasera przyjaznego dla komórek. Proces trwa zaledwie sekundy i jest znacznie łagodniejszy dla komórek. Kluczowe jest jednak precyzyjne zrozumienie rozmieszczenia komórek w żelu. Nowa technologia – GRACE – właśnie to umożliwia.

GRACE – laserowe „oczy” i sztuczna inteligencja

GRACE (Generative, Adaptive, Context-Aware 3D printing) łączy druk wolumetryczny z obrazowaniem laserowym typu light-sheet oraz algorytmami AI. Drukarka zyskuje tym samym „oczy” i „mózg”: potrafi zobaczyć, gdzie znajdują się komórki, i na tej podstawie zaprojektować optymalny układ struktury. Dzięki temu drukowana tkanka jest bardziej funkcjonalna i ma większe szanse na przeżycie.

Tworzenie naczyń krwionośnych i wielowarstwowych struktur

Jednym z najtrudniejszych wyzwań w bioprintingu jest tworzenie sieci naczyń krwionośnych dostarczających tlen i substancje odżywcze. W tradycyjnym podejściu projekt naczyń powstaje w oderwaniu od faktycznego rozmieszczenia komórek. GRACE umożliwia dynamiczne projektowanie i drukowanie naczyń wokół komórek w czasie rzeczywistym.

Co więcej, technologia automatycznie dostosowuje kolejne etapy druku – np. precyzyjnie dodaje warstwę chrząstki na wcześniej wydrukowanej tkance kostnej. System sam koryguje przeszkody optyczne, takie jak cienie powstające w trakcie druku, a nawet pozwala wprowadzać do materiału dodatkowe elementy, np. stenty czy nośniki leków.

Perspektywy kliniczne

Choć bioprinting daje ogromne nadzieje, konieczne są dalsze badania, aby wydrukowane komórki mogły dojrzewać i uzyskiwać funkcjonalność natywnych tkanek. Zespół Levato już pracuje nad zwiększeniem liczby komórek, które można drukować, aby móc tworzyć także tkanki serca czy wątroby. Planowane jest również udostępnienie technologii innym laboratoriom.

Źródło: Nature, Adaptive and context-aware volumetric printing
DOI: 10.1038/s41586-025-09436-7