Ứng Dụng Công Nghệ In 3D Trong Y Học

Công nghệ in 3D và in sinh học 3D là gì?

In ấn 3D (hay còn được gọi là công nghệ chế tạo đắp lớp) ra đời vào năm 1984, nó là một chuỗi các công đoạn khác nhau, được kết hợp lại để tạo ra một vật thể ba chiều.

Trong in ấn 3D, các lớp vật liệu (kim loại, nhựa..) được đắp chồng lên nhau và được định dạng dưới sự kiểm soát của máy tính để tạo ra một vật thể.

Các đối tượng này có thể có những hình dạng bất kỳ và được sản xuất từ một mô hình 3D hay nguồn dữ liệu điện tử khác. Máy in 3D thực chất là một máy chế tạo công cụ được điều khiển bằng vi tính (CNC - computer-controlled machining tool), chính là một dạng robot công nghiệp.

Người ta dùng máy quét 3 chiều để quét bộ phận muốn in, sau đó dùng một phần mềm chuyên dụng, xuất thành một bản thiết kế CAD (computer-aided-design), tập tin này sau đó sẽ chuyển đến máy in 3D để in ra.

Công nghệ in 3D trong y học dùng để in các cơ quan cơ thể người thì sử dụng nguồn "mực sinh học" chính là một dung dịch dinh dưỡng chứa các tế bào gốc.

Khi "in", các tế bào gốc sẽ được phân bố bằng các van kiểm soát bằng vi tính để hình thành vật muốn in. Quá trình in sẽ được theo dõi bằng kính hiển vi và phải đạt được điều kiện vô trùng tuyệt đối.

Ứng dụng công nghệ in 3D trong y học

"In" tế bào gốc và các cơ quan của cơ thể

Tế bào gốc

Tế bào gốc có những tính năng vô cùng kỳ diệu, chúng có thể hình thành được nhiều loại mô của cơ thể con người. Giới nghiên cứu đã chế tạo thành công máy in sinh học 3D có thể in ra tế bào gốc của phôi thai người.

Loại tế bào này (hESs) được trích ra từ phôi thai của người, nó phát triển thành nhiều loại tế bào khác như mô não, cơ bắp hay xương của con người. Tính năng kỳ diệu này của tế bào gốc sẽ giúp cho việc sửa chữa, tái tạo hay thay thế các tế bào, mô hay cơ quan của cơ thể đã bị tổn hại.

Đây là một bước khởi đầu cho việc in ra các loại mô khác cũng như mở ra triển vọng "in" các tế bào trực tiếp vào các bộ phận cơ thể của con người.

Giới nghiên cứu hi vọng có thể tiến xa hơn nữa bằng việc lấy các tế bào sống, nạp vào máy in để in ra một mô, có thể phát triển thành một quả thận hay một  trái tim hoàn chỉnh.

Nội tạng

Hiện tại, công nghệ in sinh học 3D chưa thể "in" ra trọn vẹn một cơ quan nào đó để cấy ghép cho người. Nhưng các nhà nghiên cứu đã rất thành công trong việc in được các tế bào thận, hay những tấm mô tim có thể đập như là tim thật, cũng như một số mô của các cơ quan cơ thể người khác.

Các nhà nghiên cứu ở Đại học Rostock (Đức) cũng đã in được các mạch máu nhân tạo. Đại học Sydney (Úc) và Viện y khoa Harvard (Mỹ) thì đang phát triển phương pháp in những miếng vá tim được làm bằng tế bào để điều trị tim bị hư tổn, hỏng. Họ đã ghép thành công miếng vá này trên loài chuột thí nghiệm, cũng như sản xuất thành công các mô tim có các thuộc tính cơ sinh học như tim người thật.

Hiện nay, bệnh nhân cần thay thế nội tạng sẽ phải chờ đợi rất lâu vì nguồn hiến tặng từ người khác không nhiều. Chưa kể khi có nguồn thì chưa chắc đã phù hợp được với người nhận. Và dù có cấy ghép thành công, bệnh nhân sẽ buộc phải dùng thuốc ức chế miễn dịch trong suốt phần đời còn lại để chống hệ miễn dịch của cơ thể thải loại bộ phận cấy ghép.

Các mô sinh học được in bằng công nghệ 3D để thay thế những cơ quan bị tổn thương sẽ mang lại một giải pháp mới cho những bệnh nhân cần phải cấy ghép nội tạng, giải quyết được các vấn đề tương thích sinh học và các nguy cơ bị thải loại của bộ phận cấy ghép.

Da, xương và sụn

Trong tương lai, máy in 3D có thể in được cả da người, đó là một bước tiến mới của công nghệ in 3D trong y học, công nghệ này rất cần thiết trong điều trị cho các bệnh nhân bị ung thư da, bị bỏng, mất da do tai nạn hay các bệnh làm hư hại lớp da trên cơ thể người.

Trường đại học Wake Forest ở bang North Carolina (Mỹ) đang phát triển công nghệ in ghép da, công nghệ này có thể in trực tiếp lên phần cơ thể của nạn nhân bị bỏng.

Họ cũng đã thành công trong việc in ra được tai người, xương và cấu trúc bắp thịt để ghép lên loài chuột thí nghiệm. Các thành phần này đã phát triển thành những bộ phận với đầy đủ chức năng và hệ thống mao mạch máu nuôi dưỡng.

Nhà nghiên cứu Hod Lipson ở Đại học Cornell (Mỹ) đang phát triển kỹ thuật in sụn có thể áp dụng vào phẫu thuật xương. Một nhóm khoa học gia ở Đức cũng đang nghiên cứu về kỹ thuật in sinh học xương và các bộ phận khác của khung xương cơ thể người.

Thử nghiệm các loại thuốc mới, cả trong lĩnh vực điều trị ung thư

Điều chế thuốc

Hiện tại, để đưa một loại thuốc mới vào thị trường thì các hãng bào chế dược phẩm sẽ phải tốn một khoản tiền lớn từ 800 triệu đến 1,7 tỷ USD cho nghiên cứu, phát triển, thử nghiệm lâm sàng, với quãng thời gian bình quân khoảng 10 năm.

Ngay cả bào chế thành công loại thuốc mới thì tỉ lệ được chấp thuận để đưa ra thị trường cũng rất thấp: năm 2016, ở Mỹ, chưa đến 10% các loại thuốc mới được cơ quan Quản lý Thực-Dược phẩm của Hoa Kỳ (FDA) chấp thuận.

Khi bắt đầu các thử nghiệm lâm sàng trên cơ thể người, xác suất của một loại thuốc có thể được đưa ra thị trường được chỉ từ 10-15%. Phương pháp này lại tiềm ẩn một rủi ro là có thể gây tử vong cho những người tham gia thử nghiệm.

Những loại thuốc thử nghiệm thất bại chủ yếu thường là do hiệu quả kém ở người mặc dù kết quả thử nghiệm ở các loài động vật khác (chuột, thỏ, khỉ…) rất khả quan. Điều này là do sự khác biệt khá xa về mặt cơ chế sinh học, hình thể giữa loài động vật thí nghiệm với con người.

Vì vậy, sắp tới với đà tiến triển của công nghệ in 3D trong y học, các hãng thuốc có thể in ra các được mô hình 3D có chức năng hoạt động như là thận, gan hoặc cơ tim của người thật dùng để thử nghiệm, cũng như điều chỉnh thành phần dược chất và đánh giá dược lực của thuốc. Việc thử nghiệm sẽ dễ dàng, chính xác và không gặp rủi ro như áp dụng trên cơ thể người thật.

Điều trị ung thư

In 3D sẽ hỗ trợ rất nhiều cho việc nghiên cứu các bệnh ung thư. Các nhà khoa học ở Mỹ và Trung Quốc đã dùng máy in 3D để in ra mô hình các bướu ung thư, giúp cho y giới hiểu rõ về cơ chế hình thành, phát triển, lan rộng của ung bướu.

Nó cũng giúp cho việc thử nghiệm các loại thuốc điều trị ung thư mới. Giới khoa học hy vọng rằng, với sự trợ giúp của công nghệ này, người ta sẽ tìm ra các phương pháp điều trị dứt điểm bệnh ung thư trong tương lai gần nhất.

Sản xuất dụng cụ phẫu thuật và các chi giả cho người khuyết tật bằng phương pháp in 3D

Công nghệ in 3D trong y học có thể in ra các dụng cụ y tế khác như là kẹp cầm máu, cặp gắp thai nhi, các loại kẹp, cán dao mổ, điều hay nhất đó là những thứ ấy khi in ra đều hoàn toàn vô trùng và chi phí thì chỉ bằng 1/10 dụng cụ cùng loại làm bằng thép không gỉ.

Ngoài ra, máy in 3D có thể in ra tai giả, chân tay giả cho các bệnh nhân, chúng có thể giúp con người hoạt động bình thường như một bộ phận thât.

Công nghệ in 3D trong y học đã đem lại những ứng dụng to lớn và thiết thực, giúp tạo ra các bước tiến mới cả về mặt nghiên cứu y khoa, và áp dụng thực tế đối với sức khỏe con người.