VNR Content
Pearl
Trong vài năm trở lại đây, những cải tiến trong công nghệ in 3D đã cho phép các nhà nghiên cứu y tế in ra những thứ mà trước đây được xem là bất khả thi, bao gồm thực phẩm, thuốc, và thậm chí là các bộ phận cơ thể.
Năm 2018, các bác sỹ đến từ Đại học Veterinary Ontario đã in 3D một mảnh sọ titanium (ảnh dưới) dành cho một chú chó thiếu bộ phận này sau phẫu thuật ung thư.
“Bằng cách tiến hành thử nghiệm trên các bệnh nhân động vật, chúng tôi có được những thông tin quý giá có thể sử dụng để chứng minh giá trị và tính an toàn của các sản phẩm cấy ghép này trên con người” - theo bác sỹ chuyên khoa phẫu thuật ung thư động vật Michelle Oblak. “Những sản phẩm cấy ghép này là bước tiến lớn tiếp theo trong công cuộc cá nhân hoá y khoa, cho phép đáp ứng mọi nhu cầu đặc biệt về chăm sóc y tế của một bệnh nhân cụ thể”
Và “bệnh nhân” ở đây không chỉ là các loài động vật.
In sinh học 3D là gì?
In sinh học 3D tận dụng công nghệ in 3D để tạo ra các bộ phận cơ thể. Máy in sinh học hoạt động tương tự máy in 3D. Tuy nhiên, thay vì đắp các vật liệu như nhựa hay gốm, chúng đắp từng lớp vật liệu sinh học, bao gồm tế bào sống, để tạo nên những cấu trúc phức tạp như mạch máu hay mô da.
Các tế bào cần thiết được lấy từ bệnh nhân và nuôi dưỡng. Chúng thường được kết hợp với một vật liệu mang, hay vật liệu khung. Vật liệu mang này thường là một loại gel polymer sinh học, đóng vai trò như khung phân tử 3D và bảo vệ các tế bào trong quá trình in. Các tế bào bám dính vào gel, vốn đủ chắc để cho phép in và đủ dẻo dai để hỗ trợ truyền chất dinh dưỡng cũng như chuyển động của các tế bào. Sự kết hợp của các tế bào kết nang và gel polymer sinh học tạo ra một loại mực in sinh học, được dùng bởi các kỹ sư sinh học để tạo ra các cấu trúc in 3D dạng mô.
Trước hết, họ phải tạo ra thiết kế và mô hình chi tiết trên máy tính, chủ yếu dựa vào các bản chụp MRI hay CT trực tiếp từ bệnh nhân. Sau đó, các đầu máy in với độ chính xác cao sẽ đắp các tế bào và mực in sinh học chính xác vào vị trí cần thiết, và trong suốt nhiều giờ in, vật thể hữu cơ sẽ được tạo ra từ một số lượng rất lớn các lớp rất mỏng.
Một nhà khoa học đang nghiên cứu in 3D sinh học mô cơ
Các tế bào được nuôi sống bằng chất dinh dưỡng dạng lỏng và oxy trong toàn bộ quá trình.
Trong giai đoạn sau in, các cấu trúc sẽ được liên kết chéo với tia UV hoặc dung dịch ion để giúp chúng ổn định hơn. Các tế bào được kích thích hoá học và cơ học để kiểm soát sự sửa đổi và tăng trưởng của các mô. Sau đó, sản phẩm in 3D được đặt vào lồng ấp để các tế bào có điều kiện phát triển.
Khi sẵn sàng, cấu trúc phải được sử dụng càng sớm càng tốt, trừ khi kỹ thuật in 3D sinh học được kết hợp với kỹ thuật bảo quản lạnh (cryo) - điều mà các nhà nghiên cứu từ Bệnh viện Brigham and Women và Trường Y khoa Harvard đã đạt được vào năm ngoái. Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã in 3D các mô trên một đĩa lạnh ở -20 độ C, sau đó bảo quản chúng trong tủ đông ở -196 độ C. Theo các nhà nghiên cứu, các mô này về sau có thể được rã đông chỉ trong vài phút để sử dụng ngay lập tức.
Gân và Dây chằng
Năm 2018, các kỹ sư y sinh từ Đại học Utah đã phát triển một phương pháp in 3D gân và dây chằng. Phương thức này trước hết sẽ lấy các tế bào gốc từ bệnh nhân và in chúng trên một lớp hydrogel để tạo ra gân hoặc dây chằng. Sản phẩm có thể được nuôi trong ống nghiệm trước khi cấy ghép vào cơ thể bệnh nhân. Tuy nhiên, quy trình này cực kỳ phức tạp, bởi mô liên kết được cấu thành bởi nhiều tế bào khác nhau theo những khuôn mẫu phức tạp. Nhóm nghiên cứu trước hết cần phát triển một đầu máy in đặc biệt có thể đắp nên các tế bào con người theo phương thức được kiểm soát cao độ.
Để làm được điều đó, nhóm nghiên cứu đã hợp tác với công ty Carterra Inc (trụ sở tại Utah) để phát triển một đầu in chuyên dụng, cho phép họ đắp các tế bào theo một khuôn mẫu phức tạp. Đầu in này sau đó được gắn vào một máy in 3D thông thường dùng để in kháng thể điều trị ung thư.
Với kỹ thuật này, các nhà khoa học đã có thể in 3D các tế bào gốc lấy từ chất béo trong cơ thể bệnh nhân lên một lớp hydrogel. Lớp hydrogel này tạo điều kiện cho tế bào tăng trưởng trong ống nghiệm, từ đó tạo ra gân hoặc dây chằng.
Mô mới sau đó được cấy vào vùng cơ thể bị tổn thương của bệnh nhân, xoá bỏ sự cần thiết phải tiến hành các kỹ thuật thay thế mô khác.
Các mô thay thế thường được lấy từ một vùng khác trên cơ thể bệnh nhân, hoặc từ một tử thi. Tuy nhiên, mô từ tử thi có nguy cơ cao bị từ chối bởi các mô xung quanh, hoặc có chất lượng kém và không hiệu quả.
Thay vào đó, các mô được tạo ra từ tế bào của chính bệnh nhân có thể giảm nguy cơ gặp các biến chứng do cấy ghép và tăng tốc quá trình hồi phục.
In sinh học da và chữa lành vết thương
In sinh học 3D còn có thể giúp chúng ta từ biệt việc ghép da trong tương lai gần, bởi các bác sỹ có thể in 3D da mới cho từng bệnh nhân.
Ghép da là việc cấy ghép da khoẻ mạnh từ một động vật, người hiến, hoặc da của chính bệnh nhân, lên một vùng da khác bị tổn thương nặng trên cơ thể anh/cô ấy. Quy trình này thường được sử dụng để chữa trị nhiều loại vết thương, vết bỏng, loét, và nhiễm trùng, hoặc sau khi phẫu thuật ung thư da.
Nhưng kỹ thuật này lại tồn tại nhiều nguy cơ, từ xuất huyết cho đến mất tính nhạy cảm của da, nhiễm trùng, gây sẹo, và bị từ chối da.
Đó là lý do tại sao các nhà khoa học từ Viện Y học Tái sinh Wake Forest (WFIRM) đang nghiên cứu một hệ thống in sinh học da tinh vi có khả năng sử dụng một cách linh động, cho phép bác sỹ in da hai lớp trực tiếp trên vết thương của bệnh nhân.
“Khía cạnh độc đáo của công nghệ này là tính linh động của hệ thống và khả năng phân tích trực tiếp các vết thương rộng bằng cách quét và đánh giá chúng, nhằm đắp các tế bào trực tiếp lên nơi cần tạo da” - theo Sean Murphy, Ph.D, một trợ lý giáo sư ở WFIRM, đồng thời là tác giả chính của nghiên cứu.
Vận hành máy in 3D sinh học di động để thử nghiệm in da trên một cánh tay demo
Để làm điều đó, các nhà khoa học đã cách ly các tế bào da nhất định từ một sinh thiết mô khoẻ mạnh và nuôi chúng trong ống nghiệm. Sau đó, họ kết hợp các tế bào với một hydrogel và đặt chúng vào máy in sinh học. Thiết bị này in các tế bào lên vùng bị tổn thương theo dữ liệu trích xuất từ bản quét vết thương thông qua một phần mềm.
Và bởi các tế bào được lấy từ chính cơ thể của bệnh nhân, nguy cơ bị từ chối là rất thấp.
Trong khi đó, tại Dublin, các nhà khoa học đến từ Trường Y khoa RCSI đã phát triển một bộ khung hydrogel với PRP, có các đặc tính tái sinh đầy hứa hẹn. Hợp chất này có thể được sử dụng như một loại mực in sinh học để tăng tốc quá trình chữa lành vết thương trong các mô in 3D.
“Các tài liệu hiện có cho thấy dù PRP đã hiện diện trong máu chúng ta, giúp chữa lành vết thương, vẫn có thể xuất hiện sẹo” - theo Giáo sư RCSI là Fergal O’Brien. “Bằng cách in 3D PRP vào một khung vật liệu sinh học, chúng tôi có thể tăng khả năng hình thành các mạch máu trong khi tránh gây ra sẹo, dẫn đến việc hồi phục vết thương thành công hơn”
Mạch máu
Có lẽ mục tiêu tối thượng của việc in 3D sinh học là tạo ra các cơ quan hoạt động tốt và giải quyết được vấn đề cấy ghép nội tạng.
Hiện nay, có hơn 100.000 người chờ được ghép tạng trong danh sách chờ cấy ghép toàn quốc của Mỹ. Khoảng 17 người trong số đó không qua khỏi mỗi ngày vì không nhận được cơ quan mà họ cần. Nguyên nhân chủ yếu là do thiếu người hiến. Dù khoảng 60% người Mỹ đã đăng ký hiến tạng, việc lấy các cơ quan nội tạng chỉ khả thi với 3 trong số mỗi 1.000 ca tử vong.
In 3D sinh học các cơ quan nội tạng có thể cứu được rất nhiều mạng sống, nhưng các nhà khoa học vẫn chật vật trong việc tạo ra các cấu trúc mạch máu vốn rất cần thiết nếu muốn các cơ quan nội tạng in 3D hoạt động được. Mọi cơ quan, bao gồm các cơ quan in 3D, đều cần nguồn cung máu liên tục và hiệu quả để ngăn các tế bào và mô bị chết đi.
Vào tháng 10/2021, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Technion ở Israel đã in 3D được các cấu trúc mạch máu nhằm đưa nguồn cung máu đến các mô cấy ghép.
Những cấu trúc này đã có thể tự phát triển sau khi các nhà khoa học cấy ghép các tế bào màng trong từ lớp trong của mạch máu vào cơ thể trong một bộ khung collagen trùng hợp.
Tuy nhiên, chúng chỉ là những mao mạch có thể được sử dụng để cải thiện quá trình phát triển mô trong ống nghiệm, không thể nuôi sống toàn bộ một cơ quan nội tạng, và không cho phép tích hợp các mô nuôi cấy trong phòng thí nghiệm vào hệ tim mạch của bệnh nhân.
Nghiên cứu này cho thấy vẫn còn khá lâu nữa cho đến khi chúng ta có thể thực sự in 3D các cơ quan theo nhu cầu. Nhưng ai mà biết được các nhà khoa học sẽ có thể phát minh ra những kỹ thuật mới nào để giải quyết vấn đề này trong tương lai?
Tham khảo: InterestingEngineering
Năm 2018, các bác sỹ đến từ Đại học Veterinary Ontario đã in 3D một mảnh sọ titanium (ảnh dưới) dành cho một chú chó thiếu bộ phận này sau phẫu thuật ung thư.
Và “bệnh nhân” ở đây không chỉ là các loài động vật.
In sinh học 3D là gì?
In sinh học 3D tận dụng công nghệ in 3D để tạo ra các bộ phận cơ thể. Máy in sinh học hoạt động tương tự máy in 3D. Tuy nhiên, thay vì đắp các vật liệu như nhựa hay gốm, chúng đắp từng lớp vật liệu sinh học, bao gồm tế bào sống, để tạo nên những cấu trúc phức tạp như mạch máu hay mô da.
Các tế bào cần thiết được lấy từ bệnh nhân và nuôi dưỡng. Chúng thường được kết hợp với một vật liệu mang, hay vật liệu khung. Vật liệu mang này thường là một loại gel polymer sinh học, đóng vai trò như khung phân tử 3D và bảo vệ các tế bào trong quá trình in. Các tế bào bám dính vào gel, vốn đủ chắc để cho phép in và đủ dẻo dai để hỗ trợ truyền chất dinh dưỡng cũng như chuyển động của các tế bào. Sự kết hợp của các tế bào kết nang và gel polymer sinh học tạo ra một loại mực in sinh học, được dùng bởi các kỹ sư sinh học để tạo ra các cấu trúc in 3D dạng mô.
Trước hết, họ phải tạo ra thiết kế và mô hình chi tiết trên máy tính, chủ yếu dựa vào các bản chụp MRI hay CT trực tiếp từ bệnh nhân. Sau đó, các đầu máy in với độ chính xác cao sẽ đắp các tế bào và mực in sinh học chính xác vào vị trí cần thiết, và trong suốt nhiều giờ in, vật thể hữu cơ sẽ được tạo ra từ một số lượng rất lớn các lớp rất mỏng.
Các tế bào được nuôi sống bằng chất dinh dưỡng dạng lỏng và oxy trong toàn bộ quá trình.
Trong giai đoạn sau in, các cấu trúc sẽ được liên kết chéo với tia UV hoặc dung dịch ion để giúp chúng ổn định hơn. Các tế bào được kích thích hoá học và cơ học để kiểm soát sự sửa đổi và tăng trưởng của các mô. Sau đó, sản phẩm in 3D được đặt vào lồng ấp để các tế bào có điều kiện phát triển.
Khi sẵn sàng, cấu trúc phải được sử dụng càng sớm càng tốt, trừ khi kỹ thuật in 3D sinh học được kết hợp với kỹ thuật bảo quản lạnh (cryo) - điều mà các nhà nghiên cứu từ Bệnh viện Brigham and Women và Trường Y khoa Harvard đã đạt được vào năm ngoái. Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã in 3D các mô trên một đĩa lạnh ở -20 độ C, sau đó bảo quản chúng trong tủ đông ở -196 độ C. Theo các nhà nghiên cứu, các mô này về sau có thể được rã đông chỉ trong vài phút để sử dụng ngay lập tức.
Gân và Dây chằng
Năm 2018, các kỹ sư y sinh từ Đại học Utah đã phát triển một phương pháp in 3D gân và dây chằng. Phương thức này trước hết sẽ lấy các tế bào gốc từ bệnh nhân và in chúng trên một lớp hydrogel để tạo ra gân hoặc dây chằng. Sản phẩm có thể được nuôi trong ống nghiệm trước khi cấy ghép vào cơ thể bệnh nhân. Tuy nhiên, quy trình này cực kỳ phức tạp, bởi mô liên kết được cấu thành bởi nhiều tế bào khác nhau theo những khuôn mẫu phức tạp. Nhóm nghiên cứu trước hết cần phát triển một đầu máy in đặc biệt có thể đắp nên các tế bào con người theo phương thức được kiểm soát cao độ.
Để làm được điều đó, nhóm nghiên cứu đã hợp tác với công ty Carterra Inc (trụ sở tại Utah) để phát triển một đầu in chuyên dụng, cho phép họ đắp các tế bào theo một khuôn mẫu phức tạp. Đầu in này sau đó được gắn vào một máy in 3D thông thường dùng để in kháng thể điều trị ung thư.
Với kỹ thuật này, các nhà khoa học đã có thể in 3D các tế bào gốc lấy từ chất béo trong cơ thể bệnh nhân lên một lớp hydrogel. Lớp hydrogel này tạo điều kiện cho tế bào tăng trưởng trong ống nghiệm, từ đó tạo ra gân hoặc dây chằng.
Mô mới sau đó được cấy vào vùng cơ thể bị tổn thương của bệnh nhân, xoá bỏ sự cần thiết phải tiến hành các kỹ thuật thay thế mô khác.
Các mô thay thế thường được lấy từ một vùng khác trên cơ thể bệnh nhân, hoặc từ một tử thi. Tuy nhiên, mô từ tử thi có nguy cơ cao bị từ chối bởi các mô xung quanh, hoặc có chất lượng kém và không hiệu quả.
Thay vào đó, các mô được tạo ra từ tế bào của chính bệnh nhân có thể giảm nguy cơ gặp các biến chứng do cấy ghép và tăng tốc quá trình hồi phục.
In sinh học da và chữa lành vết thương
In sinh học 3D còn có thể giúp chúng ta từ biệt việc ghép da trong tương lai gần, bởi các bác sỹ có thể in 3D da mới cho từng bệnh nhân.
Ghép da là việc cấy ghép da khoẻ mạnh từ một động vật, người hiến, hoặc da của chính bệnh nhân, lên một vùng da khác bị tổn thương nặng trên cơ thể anh/cô ấy. Quy trình này thường được sử dụng để chữa trị nhiều loại vết thương, vết bỏng, loét, và nhiễm trùng, hoặc sau khi phẫu thuật ung thư da.
Đó là lý do tại sao các nhà khoa học từ Viện Y học Tái sinh Wake Forest (WFIRM) đang nghiên cứu một hệ thống in sinh học da tinh vi có khả năng sử dụng một cách linh động, cho phép bác sỹ in da hai lớp trực tiếp trên vết thương của bệnh nhân.
“Khía cạnh độc đáo của công nghệ này là tính linh động của hệ thống và khả năng phân tích trực tiếp các vết thương rộng bằng cách quét và đánh giá chúng, nhằm đắp các tế bào trực tiếp lên nơi cần tạo da” - theo Sean Murphy, Ph.D, một trợ lý giáo sư ở WFIRM, đồng thời là tác giả chính của nghiên cứu.
Để làm điều đó, các nhà khoa học đã cách ly các tế bào da nhất định từ một sinh thiết mô khoẻ mạnh và nuôi chúng trong ống nghiệm. Sau đó, họ kết hợp các tế bào với một hydrogel và đặt chúng vào máy in sinh học. Thiết bị này in các tế bào lên vùng bị tổn thương theo dữ liệu trích xuất từ bản quét vết thương thông qua một phần mềm.
Và bởi các tế bào được lấy từ chính cơ thể của bệnh nhân, nguy cơ bị từ chối là rất thấp.
Trong khi đó, tại Dublin, các nhà khoa học đến từ Trường Y khoa RCSI đã phát triển một bộ khung hydrogel với PRP, có các đặc tính tái sinh đầy hứa hẹn. Hợp chất này có thể được sử dụng như một loại mực in sinh học để tăng tốc quá trình chữa lành vết thương trong các mô in 3D.
“Các tài liệu hiện có cho thấy dù PRP đã hiện diện trong máu chúng ta, giúp chữa lành vết thương, vẫn có thể xuất hiện sẹo” - theo Giáo sư RCSI là Fergal O’Brien. “Bằng cách in 3D PRP vào một khung vật liệu sinh học, chúng tôi có thể tăng khả năng hình thành các mạch máu trong khi tránh gây ra sẹo, dẫn đến việc hồi phục vết thương thành công hơn”
Mạch máu
Có lẽ mục tiêu tối thượng của việc in 3D sinh học là tạo ra các cơ quan hoạt động tốt và giải quyết được vấn đề cấy ghép nội tạng.
Hiện nay, có hơn 100.000 người chờ được ghép tạng trong danh sách chờ cấy ghép toàn quốc của Mỹ. Khoảng 17 người trong số đó không qua khỏi mỗi ngày vì không nhận được cơ quan mà họ cần. Nguyên nhân chủ yếu là do thiếu người hiến. Dù khoảng 60% người Mỹ đã đăng ký hiến tạng, việc lấy các cơ quan nội tạng chỉ khả thi với 3 trong số mỗi 1.000 ca tử vong.
In 3D sinh học các cơ quan nội tạng có thể cứu được rất nhiều mạng sống, nhưng các nhà khoa học vẫn chật vật trong việc tạo ra các cấu trúc mạch máu vốn rất cần thiết nếu muốn các cơ quan nội tạng in 3D hoạt động được. Mọi cơ quan, bao gồm các cơ quan in 3D, đều cần nguồn cung máu liên tục và hiệu quả để ngăn các tế bào và mô bị chết đi.
Vào tháng 10/2021, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Technion ở Israel đã in 3D được các cấu trúc mạch máu nhằm đưa nguồn cung máu đến các mô cấy ghép.
Những cấu trúc này đã có thể tự phát triển sau khi các nhà khoa học cấy ghép các tế bào màng trong từ lớp trong của mạch máu vào cơ thể trong một bộ khung collagen trùng hợp.
Tuy nhiên, chúng chỉ là những mao mạch có thể được sử dụng để cải thiện quá trình phát triển mô trong ống nghiệm, không thể nuôi sống toàn bộ một cơ quan nội tạng, và không cho phép tích hợp các mô nuôi cấy trong phòng thí nghiệm vào hệ tim mạch của bệnh nhân.
Nghiên cứu này cho thấy vẫn còn khá lâu nữa cho đến khi chúng ta có thể thực sự in 3D các cơ quan theo nhu cầu. Nhưng ai mà biết được các nhà khoa học sẽ có thể phát minh ra những kỹ thuật mới nào để giải quyết vấn đề này trong tương lai?
Tham khảo: InterestingEngineering
