Autonomous Control of Extrusion Bioprinting Using Convolutional Neural Networks

材料科学 挤压 卷积神经网络 3D生物打印 人工神经网络 纳米技术 人工智能 生物医学工程 复合材料 计算机科学 组织工程 工程类
作者
Daniel Kelly,Vasileios Sergis,Léonardo Blanco,Karl Mason,Andrew C. Daly
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:35 (30) 被引量:16
标识
DOI:10.1002/adfm.202424553
摘要

Abstract Extrusion bioprinting technology suffers from reproducibility challenges due to the open‐loop nature of current hardware systems. Here, a novel AI‐powered extrusion bioprinting platform is presented with integrated real‐time quality monitoring and automated error correction capabilities. To achieve this, a custom bioprinting system is engineered with an integrated camera for continuous process monitoring and trained convolutional neural networks (CNNs) to classify the extrusion process in real‐time. The CNN models, including Xception and ResNet, are trained on a combination of real and synthetic data to classify extrusion quality (good, over, or under) across various printing scenarios, including single‐line and infill patterns. Notably, transfer learning, utilizing synthetic data for initial training followed by refinement with real‐world data enhanced classification accuracy, with the Xception model displaying 90% accuracy for single‐line extrusion and 75% for infill extrusion. This intelligent monitoring system is then coupled with a closed‐loop control system that dynamically adjusts extrusion parameters on‐the‐fly to correct errors. The platform successfully corrects both over‐ and under‐extrusion errors for alginate, collagen, and pluronic inks with varying rheological properties, demonstrating adaptability to unseen materials. Importantly, extrusion errors are corrected within ≈10 s. This novel closed‐loop bioprinting platform represents a significant advance over traditional open‐loop systems.
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