Công nghệ in 3D áp dụng trong sinh học và y tế ở tương lai gần sẽ cho phép “in” và “trồng” dễ dàng nội tạng người.

Năm 2024 sẽ có ca cấy ghép nội tạng đầu tiên sử dụng gan nhân tạo làm bằng máy in 3D, đánh dấu tiến bộ vượt bậc của ngành y tế trên con đường tìm kiếm nguồn thay thế các cơ quan nội tạng của người. Hiện tại các bác sĩ đã sử dụng phương pháp in 3D để tạo khung xương lồng ngực và cấy ghép xương.

Phát minh làm thay đổi hoàn toàn ngành nội tạng

Từ đầu thế kỷ 21 đến nay, các nhà khoa học đã có nhiều bước đi lớn trong nghiên cứu các công nghệ sinh học, cho phép “nuôi trồng” các nội tạng và bộ phận cơ thể người để phục vụ mục đích y học. Trong khi những tranh cãi về mặt đạo đức và pháp luật đang khiến việc “nuôi” nội tạng hoặc bộ phận cơ thể người bằng công nghệ biến đổi gien gặp trở ngại tại nhiều nước, nhiều nhà khoa học đã chuyển hướng sang thử nghiệm áp dụng công nghệ in 3D để “nuôi” nội tạng nhân tạo.

Theo tạp chí Smithsonian, một nhóm nhà nghiên cứu của ĐH Edinburgh (Anh) và ĐH California (Mỹ) đã hoàn thiện một công nghệ mới, cho phép phát triển hoàn chỉnh một tai người bằng tế bào gốc của bệnh nhân. Những nhà khoa học này cho in 3D một khung hình thù tai người làm bằng polymer. Các tế bào gốc, sau khi được tách ra từ mỡ của bệnh nhân, được cho cấy vào khung. Một khi các tế bào gốc này bắt đầu phân hóa thành tế bào sụn và dần phát triển theo khung, lớp vỏ polymer cũng dần tiêu hủy, để lại một tai người hoàn chỉnh được phát triển từ các tế bào sụn trưởng thành.

Đây chỉ là một trong rất nhiều nghiên cứu trên thế giới nhắm đến áp dụng công nghệ in 3D vào ngành sinh học và y học tái tạo để phát triển nội tạng nhân tạo, giúp khỏa lấp sự thiếu hụt về nguồn hiến tạng. Công nghệ in 3D không chỉ được sử dụng để in ra các khung nội tạng và bộ phận cơ thể người với kích thước và hình dạng chính xác nhất. Các máy in 3D còn được sử dụng để “in” các tế bào gốc, có khả năng phát triển thành mọi loại tế bào trong cơ thể người, lên những bộ khung. Cách tiếp cận mới này “có thể thay đổi tất cả góc độ trong công việc chăm sóc y tế hậu phẫu thuật ghép tạng” - BS Ken Steward, một trong những nhà nghiên cứu và chuyên gia phẫu thuật chỉnh hình tại BV Hoàng gia cho trẻ em (Anh), nhận định. Steward và các cộng sự đang nỗ lực nghiên cứu áp dụng cách thức này vào điều trị hội chứng biến dạng tai ở trẻ em.

Bà Jennifer Lewis cùng nhóm nghiên cứu của mình đang tìm cách sử dụng công nghệ in y học để tạo ra được thận nhân tạo. Ảnh: HARVARD MAGAZINE

“In” thận người

Jennifer Lewis, ĐH Harvard (Mỹ), đánh giá công nghệ “in y học” đang ngày một trở nên quan trọng trong ngành thiết kế tế bào hiện nay. Lewis và nhóm nghiên cứu của bà đang tìm cách sử dụng công nghệ in y học này để phát triển được thận người. Mới đây, nhóm của bà đã sử dụng công nghệ này để tạo ra được một nguyên mẫu ống lượn gần - một phần quan trọng của đơn vị chức năng thận nephron. Bằng việc chế tạo dần từng đơn vị nhỏ bên trong quả thận, nhóm của Lewis hy vọng có thể giải được thách thức lớn nhất ngăn cản ước mơ “in” thận nhân tạo: Tạo ra dòng máu vận chuyển chất dinh dưỡng và các chất thải giữa các đơn vị bên trong quả thận. Nếu không có dòng máu này, các tế bào gốc phát triển bên trong quả thận cũng sẽ sớm chết đi. Tuy nhiên, Lewis và các thành viên trong nhóm đều thừa nhận sẽ còn rất lâu nữa giấc mơ “in” thận nhân tạo của họ mới có thể trở thành hiện thực.

Trung Quốc dẫn đầu

Những nhà khoa học của nhiều cường quốc công nghệ hàng đầu trên thế giới đang chạy đua để phát triển hoàn thiện các công nghệ và những nghiên cứu này nhằm chấm dứt được bài toán nguồn cung nội tạng cho y học. Một nhóm chuyên gia công nghệ sinh học người Nga, thuộc Tập đoàn 3D Bioprinting Solutions, mới đây đã tuyên bố cấy ghép thành công tuyến giáp được in 3D vào cơ thể chuột, tờ Finacial Times cho biết.

Còn vào đầu tháng 12-2016, các nhà khoa học Trung Quốc cũng đã cho cấy ghép thành công mạch máu được in 3D vào cơ thể khỉ. Các mạch máu này cũng được phát triển từ tế bào gốc. “Đây là một bước đột phá giúp thay đổi hướng phát triển của ngành y học tái tạo” - GS Alfred Cuschieri của ĐH Dundee (Anh) nhận định về cuộc thử nghiệm của Tập đoàn công nghệ sinh học Sichuan Revotek - “Những nhà khoa học Trung Quốc đã vượt khá xa phương Tây”.

Một tháng sau khi cấy ghép, gần như không thể nào phân biệt được đâu là những mạch máu nhân tạo và đâu là những mạch máu thật của vật chủ, các nhà nghiên cứu của Revotek cho biết. Helen Meese, Giám đốc bộ phận y học tại Viện Kỹ sư cơ khí London, đánh giá về kết quả nghiên cứu vừa qua của Revotek: “Phần lớn các nghiên cứu đến nay chỉ là thử nghiệm quy mô nhỏ trong phòng thí nghiệm. Mở rộng quy mô gặp rất nhiều thách thức. Nghiên cứu của Revotek là một bước đi lớn theo hướng đó”.

Còn GS Donald Thomason, ĐH Tennessee (Mỹ), thì nhận định kết quả thí nghiệm của các nhà khoa học Trung Quốc là sản phẩm cấy ghép nội tạng in 3D hoàn thiện nhất mà ông từng thấy. Ông cũng dự đoán rằng việc kết hợp sử dụng tế bào gốc của bệnh nhân và công nghệ in 3D để nuôi nội tạng sẽ giúp cắt giảm rất nhiều chi phí cho cấy ghép nội tạng trong tương lai. Tuy nhiên, theo bà Helen Meese, phải mất ít nhất 20 năm nữa thì công nghệ 3D mới đủ phát triển để chế tạo ra các bộ phận phức tạp hơn như tim, thận và cho phép cấy ghép vào cơ thể người.

Công nghệ 3D in chất rắn

Những máy in 3D đầu tiên đã xuất hiện trên thế giới khoảng 30 năm trước. Kỹ sư người Mỹ Charles Hull vào năm 1984 đã đăng ký sáng chế một cỗ máy có khả năng tạo ra vật thể rắn thông qua cách “in” chúng bằng các lớp vật chất mỏng chồng lên nhau. Loại “mực” được sử dụng cho máy in của Hull là chất acrylic có khả năng hóa rắn khi tiếp xúc với tia cực tím.

Công nghệ này được ứng dụng sớm nhất trong các ngành công nghiệp, chẳng hạn như in nguyên mẫu các bộ phận phức tạp cần độ chính xác cao trong máy bay hay máy tính. Những nhà phát minh có thể thử nghiệm sản phẩm của mình mà không cần chi phí sản xuất quá cao. Ngày nay các máy in 3D đã xuất hiện ở mọi nơi và được ứng dụng trong vô số lĩnh vực.