In 3D đang tạo ra phép màu trong y học

ĐỒNG LỘC (Nguồn tham khảo: Forbes, Livescience, Marketwatch)

TTO - Trong lĩnh vực y khoa, công nghệ in 3D mang đến một "cuộc cách mạng" trong việc tạo ra các cơ quan, bào chế thuốc, sản xuất thiết bị y khoa...

Công nghệ in 3D làm nên nhiều điều "không tưởng" - Clip: Marshable/YouTube

Gần hai thập niên qua, công nghệ in 3D đã có những bước phát triển vượt bậc, trở thành ngành công nghiệp có trị giá đến 5,1 tỉ USD năm 2016, và dự kiến sẽ tăng đến 32 tỉ USD vào 2023.

In 3D đã được ứng dụng vào sản xuất đồ chơi trẻ em, đồng hồ đeo tay, dụng cụ sản xuất, phụ tùng linh kiện ô tô, máy bay và cả thực phẩm.

Trong lĩnh vực y khoa và chăm sóc sức khỏe, công nghệ in 3D mang đến một cuộc cách mạng trong việc sản xuất các cơ quan của cơ thể, bào chế thuốc và sản xuất thiết bị y khoa, tối ưu hóa chuỗi cung ứng và hứa hẹn sẽ mang đến dịch vụ y tế được điều chỉnh theo yêu cầu của mỗi cá nhân với giá cả thật rẻ.

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

Tay giả in 3D - Ảnh: 3dprintingindustry.com

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

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

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

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

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

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

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

Máy in sinh học 3D - Ảnh: Biofabrication

Tế bào gốc

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

Loại tế bào này (hESCs) được trích ra từ phôi thai người, nó phát triển thành nhiều loại tế bào khác như mô não cho đến cơ bắp hay xương của con người.

Tính năng kỳ diệu này của tế bào gốc sẽ giúp cho việc sửa chữa, thay thế hay tái tạo các tế bào, mô hay cơ quan của cơ thể bị tổn hại.

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

Giới nghiên cứu hi vọng sẽ 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 trái tim hoàn chỉnh.

Nội tạng

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

Các nhà nghiên cứu ở Đại học Rostock (Đức) cũng 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 làm bằng tế bào để điều trị tim bị hư tổn. Họ đã ghép thành công miếng vá này trên loài chuột, cũng như sản xuất được các mô tim có các thuộc tính cơ sinh học như tim người thật.

Hiện nay, bệnh nhân cần thay thế nội tạng 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 với người nhận. Và dù cấy ghép thành công, bênh nhân buộc phải dùng thuốc ức chế miễn dịch trong suốt phần đời còn lại để chống hệ miễn dịch cơ thể thải loại bộ phận cấy ghép.

Các mô sinh học 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 phải cấy ghép nội tạng, giải quyết được vấn đề tương thích sinh học và nguy cơ bị thải loại của bộ phận cấy ghép.

Giới nghiên cứu dự đoán rằng khoảng một thập niên nữa, người ta có thể in được một cơ quan hoàn chỉnh với đầy đủ chức năng hoạt động như bộ phận thật.

Da, xương và sụn

In 3D da ghép - Ảnh: Wake Forest Institute For Regenerative Medicine

Trong tương lai, máy in 3D có thể in ra cả da người, rất cần thiết trong điều trị cho các bệnh nhân bị phỏng, ung thư da, mất da do tai nạn hay các bệnh làm hư hại lớp da trên cơ thể.

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

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

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

Mảnh xương sọ in 3D để cấy ghép - Ảnh: Wake Forest Institute for Regenerative Medicine

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

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

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

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

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

Vì vậy, sắp tới với đà tiến triển của công nghệ in sinh học 3D, các hãng thuốc có thể in ra các mô hình 3D có chức năng hoạt động như gan, thận hoặc cơ tim của người thật dùng để thử nghiệm, 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 người thật.

In 3D sẽ hỗ trợ rất nhiều cho việc nghiên cứu 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 dùng giúp cho y giới hiểu rõ hơn về cơ chế hình thành, phát triển và lan rộng của ung bướu.

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

Sản xuất dụng cụ phẫu thuật và các chi giả cho người khuyết tật

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

Một ưu điểm nữa là khi phẫu thuật, lắm lúc các bác sĩ cần một vài loại dụng cụ đặc chế riêng theo yêu cầu kỹ thuật của một số ca mổ phức tạp. Việc sản xuất các dụng cụ như thế tốn nhiều thời gian và chi phí rất cao.

Với in 3D, điều này trở nên dễ dàng và nhanh chóng khi chỉ cần chỉnh sửa lại tập tin thiết kế mẫu trước khi nạp sang máy in là xong, rất dễ dàng và tiện lợi.

Việc sản xuất các chi giả cho người khuyết tật như hiện nay tốn rất nhiều thời gian và chi phí cao. Việc chỉnh sửa các chi tiết của tay chân giả cho vừa khớp với mõm chi cụt đòi hỏi phải làm lại toàn bộ khuôn đúc mẫu. Giá bán cũng khá cao khiến rất nhiều nạn nhân ở các nước nghèo không có đủ tiền để được gắn chi giả.

Các nhà nghiên cứu ở Đại học Toronto (Canada) phối hợp với Viện nghiên cứu Autodesk và CBM Canada dùng công nghệ in 3D để sản xuất các chi giả với giá thành rẻ và lại rất dễ chỉnh sửa cho người dân nghèo một số nước châu Phi, đặc biệt là ở Uganda, nơi số nạn nhân bị khuyết tật do bom mìn khá lớn.