機(jī)器學(xué)習(xí)輔助高細(xì)胞密度生物打印硬度預(yù)測

來源：EngineeringForLife

本研究論文聚焦機(jī)器學(xué)習(xí)輔助高細(xì)胞密度生物打印硬度預(yù)測。細(xì)胞負(fù)載水凝膠的生物打印是組織工程中一個(gè)迅速發(fā)展的領(lǐng)域。數(shù)字光處理(DLP)三維(3D)生物打印技術(shù)的出現(xiàn)革新了復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的制造。通過調(diào)整光照, DLP生物打印技術(shù)可以調(diào)控結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能，這是調(diào)節(jié)細(xì)胞活動(dòng)的關(guān)鍵因素。為了更好地模擬真實(shí)組織中的細(xì)胞密度，最近高分辨率的高細(xì)胞密度(HCD)打印取得了有效進(jìn)展。然而，在HCD結(jié)構(gòu)中調(diào)節(jié)硬度仍然具有挑戰(zhàn)性。大量的細(xì)胞會(huì)通過吸收、反射和散射光影響基于光固化的DLP生物打印。在這里，我們引入一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，用于預(yù)測細(xì)胞負(fù)載水凝膠支架的硬度。我們使用來自3D生物打印樣本的全面機(jī)械測試數(shù)據(jù)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型以進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。考慮到使用珍貴高成本細(xì)胞類型的研究需求，我們采用多種方法確保模型的普適性，即便是在數(shù)據(jù)集有限的情況下。我們驗(yàn)證了一種遷移學(xué)習(xí)方法，能夠在減少數(shù)據(jù)量的情況下，仍對珍貴細(xì)胞類型實(shí)現(xiàn)良好預(yù)測。我們所選擇的方法優(yōu)于許多其他機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，為細(xì)胞負(fù)載支架中的硬度預(yù)測提供了可靠和高效的解決方案。這一突破性進(jìn)展為下一代精準(zhǔn)生物打印和更高定制化的組織工程鋪平了道路。

圖1 圖摘要

圖2 機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的高細(xì)胞密度生物打印

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)整和細(xì)胞/組織結(jié)構(gòu)搜索

圖4 使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果