Máy in 3D tạo ra bộ phận cơ thể người

Bác sĩ chuyên khoa ung thư thú y Michelle Oblak cho biết vào thời điểm đó: “Bằng cách thực hiện quy trình này trên bệnh nhân động vật của mình, chúng tôi có thể cung cấp thông tin có giá trị có thể được sử dụng để chứng minh giá trị và sự an toàn của những thiết bị cấy ghép này đối với con người. Những bộ phận cấy ghép này là bước tiến lớn tiếp theo trong y học cá nhân hóa cho phép mọi yếu tố chăm sóc y tế của một cá nhân được điều chỉnh cụ thể theo nhu cầu cụ thể của họ”. Và không chỉ cho bệnh nhân động vật.

In sinh học 3D là gì?

In sinh học 3D là sử dụng công nghệ in 3D để chế tạo mọi bộ phận cơ thể. Máy in sinh học hoạt động theo cách tương tự như máy in 3D. Tuy nhiên, thay vì lắng đọng những vật liệu như nhựa hoặc gốm, chúng lắng đọng nhiều lớp vật liệu sinh học - bao gồm cả tế bào sống - để xây dựng những cấu trúc phức tạp như mạch máu hoặc mô da. Các tế bào cần thiết được lấy từ một bệnh nhân và sau đó được nuôi cấy. Những tế bào này thường được kết hợp với  vật liệu mang hoặc giá thể. Chất mang này thường là một loại gel biopolymer, hoạt động như một giàn giáo phân tử 3D và bảo vệ tế bào trong quá trình in. Mạng tế bào gắn vào gel, đủ cứng để cho phép in và đủ linh hoạt để cho phép dòng chảy và sự khuếch tán của các chất dinh dưỡng cũng như sự di chuyển của tế bào. Sự kết hợp giữa tế bào được bao bọc và gel biopolyme này là loại mực sinh học được kỹ sư y sinh sử dụng để tạo ra các cấu trúc giống như mô được in 3D.

Thiết kế và mô hình máy tính chi tiết được thực hiện lần đầu tiên, thường dựa trên các phép quét như  chụp cộng hưởng từ hoặc chụp cắt lớp vi tính  trực tiếp từ bệnh nhân. Sau đó, đầu máy in chính xác sẽ gửi tế bào và mực sinh học vào chính xác nơi chúng cần thiết và trong vài giờ, một vật thể hữu cơ được tạo nên bằng cách sử dụng một số lượng lớn nhiều lớp rất mỏng. Tế bào được duy trì sự sống bằng cách sử dụng chất dinh dưỡng hóa lỏng và oxy trong toàn bộ quá trình. Trong giai đoạn sau in, cấu trúc có thể được liên kết chéo với ánh sáng UV hoặc giải pháp ion giúp cho chúng ổn định hơn. Tế bào được kích thích về mặt hóa học và cơ học để kiểm soát quá trình tái tạo và phát triển của các mô. Sau đó, sản phẩm in 3D được đưa vào tủ cấy để tế bào phát triển.

Khi nó sẵn sàng, cấu trúc phải được sử dụng càng sớm càng tốt, trừ khi in sinh học 3D được kết hợp với kỹ thuật bảo quản lạnh - điều mà nhóm nhà nghiên cứu từ Bệnh viện Brigham và Phụ nữ và Trường Y Harvard đã đạt được vào năm 2023. Công trình được công bố đã chỉ ra cách nhóm nghiên cứu có thể in 3D khăn giấy lên đĩa lạnh ở  -20 độ C, sau đó chúng được bảo quản trong tủ đông ở -196 độ C. Nhóm nhà nghiên cứu cho biết, các mô sau đó có thể được rã đông trong vòng vài phút để sử dụng ngay lập tức.

Gân và dây chằng

Một nhóm kỹ sư y sinh từ Đại học Utah (Mỹ) đã phát triển một phương pháp  in 3D dây chằng và gân. Phương pháp này  bao gồm việc đầu tiên lấy tế bào gốc từ bệnh nhân và in chúng lên một lớp hydrogel để tạo thành gân hoặc dây chằng. Điều này được phát triển trong ống nghiệm trong môi trường nuôi cấy trước khi được cấy ghép. Tuy nhiên, quá trình này rất phức tạp, bởi vì mô liên kết được tạo thành từ các tế bào khác nhau theo những mô hình phức tạp. Trước tiên, nhóm nghiên cứu cần phát triển một đầu máy in đặc biệt có thể đặt tế bào của con người theo cách thức được kiểm soát cao mà họ yêu cầu.

Để làm được điều này, nhóm nghiên cứu hợp tác với công ty Carterra, Inc. có trụ sở tại Utah để phát triển một đầu in chuyên dụng cho phép họ xếp các ô theo các mẫu phức tạp. Đầu in sau đó được gắn vào một máy in 3D thường được sử dụng để in những kháng thể điều trị ung thư. Với kỹ thuật này, nhóm nhà khoa học đã tìm cách in 3D các tế bào gốc lấy từ mỡ cơ thể của bệnh nhân lên một lớp hydrogel. Hydrogel này tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển tế bào in vitro trong môi trường nuôi cấy, tạo thành dây chằng hoặc gân trong quá trình này.

Sau đó, mô mới sẽ được cấy vào vùng bị tổn thương của cơ thể bệnh nhân, loại bỏ sự cần thiết của các thủ tục thay thế mô bổ sung. Các mô thay thế cho những người cần nó thường được lấy từ nơi khác trên cơ thể bệnh nhân hoặc từ một tử thi. Tuy nhiên, mô từ tử thi có nguy cơ cao bị những mô xung quanh loại bỏ hoặc có chất lượng kém và không hiệu quả. Thay vào đó, mô được tạo ra từ tế bào của chính bệnh nhân cho phép làm giảm mọi biến chứng liên quan đến việc cấy ghép, đồng thời giúp tăng tốc quá trình chữa bệnh.

In sinh học da và chữa lành vết thương

In sinh học 3D cũng hứa hẹn giúp chúng ta chia tay thủ thuật ghép da trong tương lai gần, vì bác sĩ có thể in 3D da mới cho từng bệnh nhân. Ghép da là việc ghép da lành từ động vật, người cho hoặc chính cơ thể người bệnh sang một bộ phận khác trên cơ thể của họ, nơi da bị tổn thương nặng. Thủ thuật này thường được sử dụng điều trị vết thương nặng, bỏng, loét và nhiễm trùng hoặc sau khi loại bỏ ung thư da. Nhưng kỹ thuật này có một số rủi ro, từ xuất huyết và mất nhạy cảm với nhiễm trùng, sẹo cũng như đào thải.

Đây là lý do tại sao một nhóm nhà khoa học từ Viện Y học Tái sinh Wake Forest (WFIRM) tiến hành nghiên cứu một hệ thống in sinh học da đầu giường di động cho phép bác sĩ in da hai lớp trực tiếp lên vết thương của bệnh nhân. Sean Murphy, Tiến sĩ và  trợ lý giáo sư của WFIRM, giải thích: “Khía cạnh độc đáo của công nghệ này là tính di động của hệ thống và khả năng cung cấp khả năng quản lý tại chỗ các vết thương rộng bằng cách quét và đo lường chúng để lắng đọng các tế bào trực tiếp tại nơi chúng cần để tạo da”.

Để làm được điều này, nhóm nhà khoa học phân lập một số tế bào da nhất định từ sinh thiết mô khỏe mạnh và nuôi cấy chúng. Sau đó, họ kết hợp tế bào với một hydrogel và đưa chúng vào máy in sinh học. Thiết bị in tế bào lên vùng bị tổn thương sau khi dữ liệu trích xuất từ quá trình quét vết thương thông qua một phần mềm. Bởi vì tế bào được lấy từ chính cơ thể của bệnh nhân cho nên nguy cơ bị đào thải thấp hơn nhiều.

Trong khi đó, tại Dublin, một nhóm nhà khoa học khác từ Đại học Y khoa và Khoa học Sức khỏe RCSI đã phát triển một giá thể hydrogel với huyết tương giàu tiểu cầu tự nhiên (PRP) có một số đặc tính tái tạo đầy hứa hẹn. Hợp chất này cho phép sử dụng như một loại mực sinh học để đẩy nhanh quá trình chữa lành vết thương trong các mô in 3D. Giáo sư RCSI Fergal O'Brien bình luận. “Các tài liệu hiện có cho thấy rằng mặc dù PRP đã có trong máu của chúng ta giúp chữa lành vết thương, nhưng sẹo vẫn có thể xảy ra. Bằng cách in 3D PRP thành giàn giáo vật liệu sinh học, chúng tôi có thể tăng cường hình thành mạch máu, đồng thời tránh hình thành sẹo, giúp chữa lành vết thương thành công hơn”.

Mạch máu

Có lẽ mục tiêu cuối cùng của in sinh học 3D là lắp ráp các cơ quan chức năng và giải quyết vấn đề cấy ghép nội tạng. Hiện tại, có hơn 100.000 người đang chờ lấy nội tạng trong danh sách chờ ghép tạng quốc gia của Mỹ.  Khoảng 17 người trong số họ chết mỗi ngày vì không nhận được cơ quan nội tạng mà họ cần. Điều này phần lớn là do thiếu nhà tài trợ. Mặc dù khoảng 60% người Mỹ đăng ký hiến tạng, nhưng cứ 1.000 ca tử vong thì chỉ có 3 người có thể hiến tạng. In sinh học 3D các cơ quan có thể cứu sống rất nhiều người, nhưng nhà khoa học phải vật lộn để tạo ra cấu trúc mạch máu cần thiết để tạo ra cơ quan có thể in được. Tất cả các cơ quan, bao gồm cả những cơ quan được in 3D, cần được cung cấp máu liên tục và hiệu quả để ngăn chặn cái chết của tế bào và mô.

Tháng 10/2021, một nhóm nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Technion của Israel đã tìm cách in 3D cấu trúc mạch máu để bổ sung nguồn cung cấp máu cho mô cấy ghép. Những cấu trúc này phát triển một cách tự nhiên sau khi nhóm nghiên cứu cấy ghép tế bào nội mô từ lớp bên trong của mạch máu trong cơ thể vào một giàn giáo collagen cao phân tử. Tuy nhiên, đây chỉ là những vi mạch có thể được sử dụng để cải thiện sự phát triển mô trong ống nghiệm - chúng sẽ không thể “nuôi” toàn bộ cơ quan và cho đến nay, chúng không cho phép tích hợp mô được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm vào hệ thống mạch máu của bệnh nhân.

Nghiên cứu này cho thấy hiện vẫn còn một chặng đường dài phía trước cho đến khi chúng ta thực sự có thể in 3D nội tạng theo yêu cầu. Nhưng ai biết được nhà khoa học có thể phát triển kỹ thuật nào để giải quyết vấn đề này trong tương lai?