“Tái sinh” bộ phận cơ thể bằng máy in sinh học 3D

Máy in sinh học 3D đầu tiên không chỉ phục hồi, sửa chữa các bộ phận cơ thể mà còn cứu sống nhiều sinh mạng. Ảnh: technovelgy.com

Ước mơ lớn lao của các bác sĩ phẫu thuật ghép tạng là một ngày nào đó có thể đặt hàng chế tạo các bộ phận cơ thể theo nhu cầu. Hiện nay, một bệnh nhân ghép tạng phải chờ đợi hàng tháng hay đôi khi hàng năm mới có người cho tạng thích hợp. Trong thời gian này, tình trạng bệnh có thể xấu đi, thậm chí dẫn đến cái chết. Máy in sinh học 3D đầu tiên ra đời không chỉ phục hồi, sửa chữa các bộ phận cơ thể mà còn cứu sống nhiều sinh mạng.

Trị giá khoảng 200.000 USD, chiếc máy được công ty Invetech ở Melbourne (Australia) thiết kế và giao cho tập đoàn Organovo ở San Diego (Mỹ) phát triển. TS Gabor Forgacs ở ĐH Missouri, một trong những nhà sáng lập Organovo, đã phát triển một mô hình mẫu làm cơ sở và những mô hình được sản xuất đầu tiên sẽ dành cho các nhóm nhà khoa học nghiên cứu sản xuất mô và bộ phận cơ thể.

Quá trình phát triển ý tưởng in sinh học

Cho dù nguyên tắc in sinh học còn mới mẻ, bước đầu của ý tưởng được thực hiện rất thành công. Năm 2006, nhóm của tiến sĩ Anthony Atala tại viện Y học phục hồi Wake Forest ở bang North Carolina đã tạo bàng quang mới cho 7 bệnh nhân. Những bộ phận này hiện vẫn còn hoạt động.

Tiến sĩ Atala bắt đầu công trình bằng cách lấy một mẩu mô nhỏ xíu từ bàng quang của chính bệnh nhân (để bộ phận được phát triển từ đây sẽ không bị hệ miễn dịch của bệnh nhân đào thải), và trích xuất tế bào để tạo nên lớp cơ ở phần ngoài bàng quang và các tế bào ở bên trong. Khi có nhiều tế bào này được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm, chúng được quét lên trên một cái khung có hình dạng của bàng quang, khung bằng chất liệu có thể phân hủy bởi vi khuẩn và được sưởi ấm lên bằng với thân nhiệt. Sau đó các tế bào trưởng thành và sinh sôi. Từ 6 đến 8 tuần sau, bàng quang đã sẵn sàng để được ghép vào cơ thể bệnh nhân.

Máy in sinh học 3D của Organovo hoạt động tương tự một số mô hình công nghiệp chế tạo các bộ phận và các mô hình hoạt động cơ học. Những máy in này giống như máy in phun mực, nhưng có thêm chiều thứ ba. Máy tạo ra những giọt polymer nhỏ xíu và chúng nối kết nhau hình thành một cấu trúc. Khi các đầu in băng qua, mặt nền trên đó vật thể đang được “in” di chuyển xuống một khía. Cứ tiếp tục như thế cho đến khi vật thể thành hình. Những khoảng không trong cấu trúc và hình dạng phức tạp được thực hiện với một “khung” vật liệu có thể hòa tan trong nước. Sau khi hoàn tất vật “in,” khung được rửa sạch.

Các nhà nghiên cứu phát hiện rằng có thể làm một điều gì đó tương tự với vật liệu sinh học. Khi những bó tế bào nhỏ đặt cạnh nhau, chúng cùng đổ ùa vào, nối kết và tự sắp xếp. Những kỹ thuật khác nhau đang được triển khai để tập cho các tế bào trưởng thành, trở nên những bộ phận cơ thể hoạt động được – thí dụ như, “huấn luyện” các cơ phôi thai sử dụng những máy móc nhỏ.

Máy in được lắp đặt trong một phòng thí nghiệm đạt tiêu chuẩn an toàn sinh học nhằm mục đích vô trùng. Máy có hai đầu in, một đầu để “in” các tế bào, và đầu kia để tạo “khung” – một hydrogel gốc đường, không cản trở các tế bào hay bám vào chúng. Một trong những thách thức phức tạp nhất của qui trình in sinh học là phải liên tục định vị đầu mao mạch gắn vào đầu in, với kích thước ở đơn vị micron (1 micron = 1/1.000 mm, hay 1/1.000.000 m). Invetech đã phát triển một hệ thống định cỡ bằng laser và điều khiển bằng vi tính để bảo đảm cả hai đầu in đạt vị trí chính xác, một hệ thống vẽ biểu đồ bằng vi tính để thiết kế mặt cắt ngang của các bộ phận cơ thể.

Ưu điểm của máy in sinh học là có thể bỏ qua công đoạn sử dụng khung. Máy in Organovo sử dụng các tế bào gốc trích xuất từ mô mỡ và tủy xương trưởng thành làm chất liệu ban đầu. Các tế bào gốc có thể phân hóa thành nhiều loại tế bào khác nhau trong điều kiện nuôi cấy thích hợp. Chúng được tổ chức thành những giọt nhỏ có đường kính từ 100-500 micron và mỗi giọt có từ 10.000 đến 30.000 tế bào. Các giọt này giữ được hình dạng của chúng qua quá trình in.

Sau khi kết thúc in, cấu trúc được giữ trong một hay hai ngày để các giọt kết hợp lại. Đối với cấu trúc dạng ống, như mạch máu, hydrogel được in ở giữa và bao quanh bên ngoài mặt cắt ngang trước khi tế bào được thêm vào. Khi bộ phận đã hoàn thiện, hydrogel được bóc ra khỏi phần ngoài và kéo từ giữa giống như một mảnh dây.

Triển vọng của máy in sinh học 3D

Theo Keith Murphy, giám đốc điều hành Organovo, bước đầu chỉ in được những mô đơn giản, như da, cơ và những đoạn mạch máu ngắn. Công ty hy vọng trong vòng 5 năm nữa, sau khi hoàn tất các thử nghiệm lâm sàng, máy in 3D sẽ sản xuất mạch máu nhân tạo làm mô ghép trong phẫu thuật bắc cầu động mạch vành. Các nhà nghiên cứu tại bệnh viện ĐH Tokyo và công ty Next 21 đang sử dụng máy in 3D nhằm tạo xương nhân tạo trong phẫu thuật phục hồi.

Với nhiều nghiên cứu hơn nữa, dự kiến máy có thể “in” những bộ phận cơ thể lớn hơn, phức tạp hơn. Do máy “in” được cấu trúc ống phân nhánh, có thể sử dụng công nghệ để tạo các hệ thống mạch máu nuôi dưỡng những bộ phận đã được “in” ra, như thận, gan và tim.

Các máy in sinh học cũng có khả năng sử dụng các loại tế bào khác và hỗ trợ chất liệu. Theo Murphy, có thể dùng máy “in” tế bào gan trên một khung làm sẵn hình lá gan hay tạo thành các lớp mô lót liên kết để các mô này phát triển thành một chiếc răng.

Theo một số nhà nghiên cứu, một ngày nào đó những chiếc máy này có thể in trực tiếp các mô và bộ phận vào trong cơ thể. TS Atala hiện đang chế tạo một chiếc máy có thể quét hình dạng của bộ phận cơ thể cần ghép da và sau đó “in” da lên trên.

Theo Võ Phương (tổng hợp)
SGTT