將機(jī)器學(xué)習(xí)與3D生物打印相結(jié)合以快速跟蹤優(yōu)化擠出打印

來(lái)源：生物打印與再生工程

許多與生物墨水特性、打印參數(shù)和打印后固化相關(guān)的因素在打印過(guò)程的優(yōu)化中發(fā)揮著重要作用。盡管目前對(duì)可打印性的定性評(píng)估已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，但很少有關(guān)于評(píng)估可打印性的定量方法的研究。來(lái)自澳大利亞University of Wollongong和Deakin University的團(tuán)隊(duì)在Applied Materials Today雜志上發(fā)表題為“Coupling machine learning with 3D bioprinting to fast track optimisation of extrusion printing”的文章，該研究探索了機(jī)器學(xué)習(xí)作為一種新穎的工具來(lái)定量評(píng)估可打印性并快速跟蹤優(yōu)化擠出打印以實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的3D支架構(gòu)建的方法。

背景介紹
生物墨水是生物打印過(guò)程的基本組成部分，可作為細(xì)胞和生長(zhǎng)因子的傳遞介質(zhì)，是打印后細(xì)胞粘附、增殖和茁壯成長(zhǎng)的支持材料。在保持細(xì)胞相容性的同時(shí)，理想的生物墨水應(yīng)具備兩個(gè)關(guān)鍵的物理特性：“可打印性”以形成完整的 3D 結(jié)構(gòu)，以及“機(jī)械穩(wěn)定性”以實(shí)現(xiàn)打印結(jié)構(gòu)的良好形狀保真度。因此，通過(guò) 3D 打印生物墨水在其擠出過(guò)程中應(yīng)優(yōu)選采用具有合理可打印性的流體性質(zhì)。與物理化學(xué)性質(zhì)、打印參數(shù)和打印后固化相關(guān)的眾多因素在任何生物墨水的可打印性優(yōu)化中都發(fā)揮著重要作用（圖 1）。生物墨水的流變學(xué)主要取決于其粘彈性和剪切行為，而后者又極大地依賴于墨水的濃度配方。此外，生物墨水的可擠出性和擠出均勻性也有助于可打印性。除了生物墨水的物理特性外，3D 打印機(jī)的溫度噴嘴直徑、噴嘴類型、打印頭速度和平臺(tái)溫度都可以提高可打印性。

微調(diào)如此眾多的變量以完成可重復(fù)打印的 3D 支架是一個(gè)枯燥乏味且耗時(shí)的過(guò)程，當(dāng)前研究人員主要依靠反復(fù)試驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，越來(lái)越需要一種快速的方法來(lái)評(píng)估和優(yōu)化生物墨水的可打印性。現(xiàn)代機(jī)器學(xué)習(xí)方法為這一問(wèn)題提供了思路，可以用最少的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)黑盒函數(shù)進(jìn)行建模，因而這種方法越來(lái)越多地應(yīng)用于新材料和工藝的有效設(shè)計(jì)。

本研究提出了一種基于貝葉斯優(yōu)化 (BO) 的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，以實(shí)現(xiàn)以最少的實(shí)驗(yàn)找到最佳參數(shù)的目標(biāo)。這種耦合貝葉斯優(yōu)化可加速用于擠出打印的生物墨水的可打印性優(yōu)化。本文選擇一系列濃度的甲基丙烯酰明膠 (GelMA) 和 GelMA/甲基丙烯酰透明質(zhì)酸(HAMA) 作為優(yōu)化的示例。

圖1 生物墨水的物理化學(xué)特性、打印參數(shù)和打印后穩(wěn)定性在實(shí)現(xiàn)良好的3D打印結(jié)構(gòu)方面起著重要作用

材料和方法
1.材料
材料方面，研究者使用 EnvisionTEC 3D Bioplotter (GmbH Germany) 進(jìn)行擠出打印制造了具有 500 μm 寬度股線和 130 μm 拼接的晶格結(jié)構(gòu)（10 × 10 × 2.5 mm）。研究所使用的生物墨水配比分別為：10%(w/v) GelMA、7.5% (w/v) GelMA 和 5% (w/v) GelMA；10:2% (w/v) GelMA/HAMA，7.5:2 % (w/v) GelMA/HAMA 和 5:2% (w/v) GelMA/HAMA，涵蓋了從低、中到高的廣泛粘度范圍。每層沉積后，20 秒的紫外線照射用于交聯(lián)生物墨水。

2.算法
算法方面，研究者構(gòu)建了基于貝葉斯優(yōu)化器的“黑盒系統(tǒng)”框架研究了生物墨水儲(chǔ)存溫度、壓力、打印頭速度和平臺(tái)溫度一系列參數(shù)對(duì)可打印性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)反饋給實(shí)驗(yàn)者，實(shí)驗(yàn)者然后使用推薦的設(shè)置進(jìn)行打印機(jī)測(cè)試并對(duì)性能進(jìn)行評(píng)分，然后將這些結(jié)果反饋到優(yōu)化器中，反復(fù)迭代直到達(dá)到最佳打印效果。

圖2 貝葉斯優(yōu)化框架

該框架首先為貝葉斯優(yōu)化器提供一組隨機(jī)的可變生物墨水組合配比和打印機(jī)設(shè)置（生物墨水儲(chǔ)存溫度、壓力、打印頭速度和平臺(tái)溫度），以及基于長(zhǎng)絲形成和層堆疊性能的相關(guān)打印分?jǐn)?shù)。該系統(tǒng)是一個(gè)包含輸入變量和輸出打印分?jǐn)?shù)之間的許多復(fù)雜關(guān)系的一個(gè)黑盒系統(tǒng)。為了克服這個(gè)問(wèn)題并實(shí)現(xiàn)搜索目標(biāo)，研究者基于貝葉斯優(yōu)化器使用過(guò)去的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建通過(guò)高斯過(guò)程建模的黑盒系統(tǒng)的概率估計(jì)。模型的平均值和協(xié)方差被用來(lái)構(gòu)建一個(gè)采集函數(shù)，該函數(shù)被優(yōu)化以推薦下一個(gè)要測(cè)試的打印機(jī)設(shè)置。這個(gè)推薦的打印機(jī)設(shè)置被定義為貝葉斯優(yōu)化器期望找到最佳打印分?jǐn)?shù)的概率最高的位置。優(yōu)化器提供的實(shí)驗(yàn)建議在每次迭代中分批提供給實(shí)驗(yàn)者，以允許實(shí)驗(yàn)者一次性進(jìn)行多個(gè)實(shí)驗(yàn)并對(duì)其進(jìn)行評(píng)分。

表1 貝葉斯優(yōu)化器的參數(shù)搜索空間

為評(píng)估打印效果，研究者為擠出過(guò)程中的長(zhǎng)絲形態(tài)和層堆疊上的孔結(jié)構(gòu)引入了評(píng)分系統(tǒng)，以定量評(píng)估可打印性。如圖3A所示，針尖處的生物墨水狀態(tài)將表現(xiàn)出三種明顯的變化，包括形成 i) 液滴，ii) 連續(xù)細(xì)絲或 iii) 由于過(guò)度凝膠化而形成的不規(guī)則形狀。噴嘴尖端懸掛的均勻細(xì)絲的評(píng)分為“0”，因此被認(rèn)為是 GelMA 和 GelMA/HAMA 混合物的可打印性的良好衡量標(biāo)準(zhǔn)。此外，研究者定義了評(píng)價(jià)制造3D 結(jié)構(gòu)能力（形狀保真度）的指標(biāo)。具有清晰孔結(jié)構(gòu)的晶格與擠出細(xì)絲的性質(zhì)高度相關(guān)，擠出過(guò)程中的液滴形成將導(dǎo)致具有小圓孔的 3D 構(gòu)建體，而過(guò)度凝膠化的生物墨水將產(chǎn)生具有不規(guī)則形狀孔的構(gòu)建體，如圖3B 所示。因此，處于適當(dāng)凝膠狀態(tài)的生物墨水將形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)晶格包含不同的方形孔，形狀保真度得到提高，得分為“0”。

圖3 通過(guò)兩個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估生物墨水的可印刷性：

從針尖擠出過(guò)程中的打印細(xì)絲形態(tài)和層堆疊上的孔結(jié)構(gòu)
A) 絲形態(tài)的示意圖和實(shí)時(shí)圖像；
B) 10×10 mm 晶格結(jié)構(gòu)層堆疊上孔隙結(jié)構(gòu)的示意圖和實(shí)時(shí)圖像

3.結(jié)果與討論
包括實(shí)驗(yàn)結(jié)果在內(nèi)的打印參數(shù)范圍的變化如圖 4和圖 5 所示。通過(guò)計(jì)算長(zhǎng)絲形成分?jǐn)?shù)和層堆疊分?jǐn)?shù)的兩個(gè)值獲得總打印分?jǐn)?shù)。“0”的總打印分?jǐn)?shù)證明了 GelMA 和 GelMA/HAMA 混合物的最佳打印條件（圖4和5中的黃點(diǎn)）。研究者發(fā)現(xiàn)22°C、20°C 和 18°C 的溫度下生物墨水分別實(shí)現(xiàn)了10%、7.5% 和 5% (w/v) GelMA 的理想細(xì)絲形成。而 25°C 的輕微升高的溫度可以實(shí)現(xiàn)所有三種GelMA/HAMA 濃度的細(xì)絲形態(tài)評(píng)分為“0”。陰影區(qū)域表示每個(gè)打印參數(shù)的范圍，黑色線段表示每個(gè)批次。在 6000 到 10,000 個(gè)可能的打印設(shè)置的空間中，貝葉斯優(yōu)化算法能夠在 10%、7.5% 和 5% (w/v) GelMA 的第19、4 和 47 次實(shí)驗(yàn)和10%、7.5% 和 5% (w/v) GelMA/2% (w/v) HAMA混合墨水的第32、25 和 32 次實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)最佳打印機(jī)設(shè)置。

圖4 結(jié)果為 5%。7.5% & 10% (w/v) GelMA 實(shí)驗(yàn)

批次之間用黑色垂直線段；
圓圈表示給定實(shí)驗(yàn)的分?jǐn)?shù)（紅色 = 打印效果更好）；
陰影區(qū)域是給定打印參數(shù)的范圍；
黃點(diǎn)表示最佳打印

圖5 結(jié)果為 5%。7.5% & 10% (w/v) GelMA：2% (w/v) HAMA 實(shí)驗(yàn)

批次之間的黑色垂直線段；
圓圈表示給定實(shí)驗(yàn)的分?jǐn)?shù)（紅色 = 打印效果更好）；
陰影區(qū)域是給定打印參數(shù)的范圍；
黃點(diǎn)表示最佳打印
結(jié)論
該研究展示了耦合機(jī)器學(xué)習(xí)以優(yōu)化GelMA 和 GelMA/HAMA 生物墨水?dāng)D出打印的可打印性的前景，以實(shí)現(xiàn)具有良好形狀保真度的可重復(fù) 3D 打印。該研究結(jié)果展示了一種新穎的定量方法來(lái)優(yōu)化 GelMA 和 GelMA/HAMA 生物墨水的擠出可打印性。這種貝葉斯優(yōu)化技術(shù)可以很容易地應(yīng)用于其他類型（生物）墨水系統(tǒng)的可打印性優(yōu)化，其中采用了基于擠出的模式。此外，很明顯，與繁瑣且耗時(shí)的傳統(tǒng)試錯(cuò)優(yōu)化相比，該方法能夠成功地加速擠壓生物打印實(shí)驗(yàn)過(guò)程。這項(xiàng)研究揭示了機(jī)器學(xué)習(xí)在這個(gè)快速發(fā)展的 3D 生物打印領(lǐng)域的廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)
Ruberu K , Senadeera M , Rana S , et al. Coupling machine learning with 3D bioprinting to fast track optimisation of extrusion printing[J]. Applied Materials Today, 2021, 22:100914.

https://doi.org/10.1016/j.apmt.2020.100914