In sinh học: Ứng dụng in 3D trong y khoa

Tổng quan về in 3D và in sinh học

Một vật thể qua chụp cắt lớp vi tính, CT scan, sẽ cho ra vô số lát cắt (mặt phẳng), và nếu chồng chúng lên nhau sẽ cho đúng hình thể ban đầu.

Máy in 3D sẽ in tuần tự nhiều lát cắt chồng liên tiếp lên nhau, từng lớp từng lớp, cho đến khi hoàn thành toàn dạng hình của vật thể. Mực in dùng ở đây chính là vật liệu muốn tạo lập trên vật thể ba chiều, như nhựa, giấy, bột, da, cơ, polymer, kim loại …

Hiện nay, công nghiệp in 3D đang ngày càng phát triển. Con người đã sáng chế nhiều loại máy in 3D với nhiều loại mực, để in ra rất nhiều vật dụng khác nhau, từ cốc, chén bộ bàn ghế..trong gia đình cho đến các phương tiện di chuyển như ô tô, máy bay…

Tuy có nhiều chủng loại, kích cở, và nhiều loại “mực” khác nhau, nhưng tất cả máy in 3D đều vận hành theo ba bước:

* Bước 1: Hình ảnh sản phẩm được thiết kế trên máy tính thông qua phần mềm hổ trợ thiết kế (computer aided design software, CAD). Phần mềm CAD này hoạt động như một máy chụp cắt lớp sẽ phân tích vật cần in ra nhiều lát cắt;

* Bước 2: Các dữ liệu, những lát cắt, này sẽ được truyền tới máy in 3D; và

* Bước 3: Một motor sẽ kéo và mực chảy qua vòi phun. Vòi phun sẽ in chồng nhiều lớp vật liệu lên nhau nhờ vào các bộ phận di chuyển theo các trục độc lập, tạo ra sản phẩm ba chiều cần in hoàn chỉnh.

In sinh học, bioprinting, là một ứng dụng tuyệt vời và hứa hẹn nhất của in 3D trong y khoa. Với các máy in sinh học 3D này, các chuyên gia y tế có thể in ra thuốc men, xương, răng, mô tế bào, cơ quan…. dùng trong nghiên cứu, giảng dạy và điều trị thực tế lâm sàng.

Những ứng dụng của in sinh học 3D trong y khoa

* Công nghiệp dược phẩm

Thông thường, một loại thuốc trước khi được cho phép, chấp nhận cho đưa ra thị trường cần trải qua nhiều công đoạn phức tạp, mất nhiều thời gian đặc biệt là khâu thử nghiệm trên động vật và trên con người.

Nhờ máy in 3D sinh học, các nhà nghiên cứu có thể in ra các mô hình ba chiều “bắt chước” đúng kiến ​​trúc sinh học của các mô cơ thể, để đánh giá tương quan giữa thí nghiệm và thực tế (in vitro-in vivo) và thay thế việc thử nghiệm tiền lâm sàng trên động vật.

Cũng nhờ các máy in sinh học 3D, hãng dược phẩm có thể cho nhiều loại mực in (bioink) khác nhau để in ra nhiều loại biệt dược khác nhau theo yêu cầu.

* Mô hình sinh học

Máy in sinh học 3D, các nhà khoa học có thể tạo các mô hình, mẫu cấu trúc dựa vào hình ảnh từ CT scan và MRI dùng trong giảng dạy, giúp các bác sĩ chọn ra được phương pháp tối ưu cho các ca phẫu thuật, giảm đáng kể thời gian và các tai biến phẫu thuật.

Vớimáy in sinh học 3D, các nhà nghiên cứu nhà nghiên cứu Trung Quốc và Hoa Kỳ đã in các mô hình khối u ung thư giúp con người hiểu rõ hơn về cách các khối u phát triển, di căn cũng như phát triển các loại thuốc chống ung thư mới.

* Bộ phận giả (prosthetic parts)

Việc tạo bộ phận giả theo cách truyền thống thường rất tốn thời gian, công sức và tài chánh.

Các nhà nghiên cứu ở Đại học Toronto, Autodesk Research và CBM Canada, đã sử dụng máy in 3D để sản xuất (in) các bộ phận giả nhanh chóng, giá thành rẻ và dễ dàng điều chỉnh cho các bệnh nhân ở các nước đang phát triển.

Hiện nay, nhiều phòng thí nghiệm đã dùng máy in 3D để in tay chân giả cho các nước nghèo.

* Xương

Năm 2011, Giáo sư Susmita Bose, Đại học Washington, dùng máy in 3D ProMET với mực in là các hóa chất pha trộn bột gốm in ra được các cấu trúc xương..

Với những bệnh nhi đang lớn các nhà khoa học đã in xương đàn hồi để có kết quả ghép tốt hơn. Các kỹ sư công nghệ Đại học Tây Bắc, Chicago, đã in 3D xương hyperelastic nhân tạo. Vật liệu in xương chủ yếu là hydroxyapatite, khoáng chất như xương người, với một ít polymer phân hủy sinh học giúp xương tái tạo và phát triển nhanh chóng trong cơ thể. Xương hyperelastic có thể điều chỉnh đa hình dạng theo yêu cầu và đã được cấy ghép thành công trên nhiều mô hình động vật.

Các phẫu thuật viên cũng dễ dàng in sọ plastic để ghép cho bệnh nhân bị tai nạn

* Tai phỏng sinh học (bionic ear)

Các nhà khoa học tại Đại học Princeton, đã in 3D một "tai bionic" kết hợp ăng ten cuộn dây nhỏ với sụn, giúp tai có thể "nghe" được tần số vô tuyến vượt xa khả năng của con người bình thường.

Mực in gồm một mạng (matrix) gồm hydrogel, tế bào bê với các hạt nano bạc tạo thành ăng ten. Các tế bào bắp chân bê sau đó phát triển thành sụn. Tín hiệu điện từ tai sinh học được kết nối với đầu dây thần kinh của bệnh nhân, tương tự cấy ốc tai điện tử.

Tai bionic được sử dụng để giúp khôi phục hoặc tăng cường khả năng nghe của con người.

* Áo cảm biến cho tim (tailor-made sensors)

Các nhà nghiên cứu Đại học Washington quét trái tim động vật để tạo ra các mô hình in 3D ra các thiết bị điện tử có thể co giãn được. Thiết bị được in bằng silicon này có thể bóc ra khỏi mô hình in và “mặc” vừa vặn quanh trái tim con người.

Các cảm biến này có thể đo hàm lượng oxy, độ căng của tim, nhiệt độ cơ thể, độ axit máu, giúp bác sĩ điều trị theo dõi được các chức năng sinh tồn, các tắc nghẽn động mạch.v.v…

* Van tim

Jonathan Butcher, Đại học Cornell đã in một van tim thử nghiệm trên cừu. Mực in là một tổ hợp alginate, tế bào cơ trơn và tế bào kẽ van.

* Răng kháng khuẩn (antibacterial tooth)

Các nhà nghiên cứu Đại học Groningen, Hà Lan, phát triển răng in 3D kháng khuẩn. Vật liệu in răng vẫn là nhựa răng nhân tạo thông thường được kết hợp với các ion amoni bậc bốn tích điện dương. Khi vật liệu này gặp màng vi khuẩn tích điện âm, nó sẽ giết chết vi khuẩn.

Theo cách điều trị truyền thống, các vết bỏng thường được che phủ bằng các mảng da khỏe mạnh từ bộ phận khác của cơ thể. Nhưng với các vết bỏng rộng, nặng thường không có đủ da khỏe mạnh để sử dụng.

Bắt đầu 2016, Viện Y học tái sinh Wake Forest (WFIRM), do Tiến sĩ Anthony Atala dẫn dắt, nghiên cứu cấy ghép thành công mô in 3D trên động vật. Sau đó, phát triển thành công phương pháp in 3D ra da chức năng, dùng để điều trị bỏng và thương tổn da trên người. Ở WFIRM, khoa học gia sử dụng hệ thống In mô và nội tạng tích hợp (Integrated Tissue and Organ Printing System, ITOP) in trực tiếp tế bào da của chính bệnh nhân lên vết thương. Vì “mực” in là da bệnh nhân nên không bao giờ có hiện tượng thải mảnh ghép.

Năm 2018, các nhà nghiên cứu Đại học Toronto, Canada, đã phát triển một máy in da 3D cầm tay, có thể in mô da tươi, protein sinh học gồm collagen và fibrin, có thể che phủ và làm đầy vết thương trong vòng hai phút.

* Thiết bị y khoa

Hiện nay, in 3D đang được áp dụng ở các khu vực nghèo đói trên thế giới. Nhờ đó, có thể cung cấp những mặt hàng khó sản xuất, hoặc đắt tiền bằng các phương tiện truyền thống.

Thay lời kết

Máy in 3D cho phép con người thực hiện những công việc kinh ngạc, đặc biệt với in sinh học bioprinting.

Với “mực in tế bào” (cellular ink), con người có thể in sinh học ra những cơ quan, sinh vật sống, sử dụng cho nhiều mục đích như để cấy ghép mô, da, thử nghiệm thuốc.. đem lại lợi ích cho con người trong tương lai.

TS.BS Trần Bá Thoại

Uỷ viên BCH Hội Nội tiết Việt Nam