Máy in 3D trong y học: Ứng dụng thú vị và tiềm năng

NộI Dung

• Biến đổi y học với máy in 3D
• Máy in 3D hoạt động như thế nào?
• Tạo lỗ tai
• Sự khác biệt giữa khuôn và giàn
• Lợi ích tiềm năng của Tai in
• In hàm dưới
• Bộ phận giả và các vật dụng cấy ghép
• Các ví dụ khác
• In sinh học với các tế bào sống: Một tương lai có thể xảy ra
• Thay thế nội tạng và mô
• Một số thành công của Bioprinting
• In các bộ phận của trái tim
• Tạo giác mạc
• Lợi ích của các cơ quan nhỏ, các cơ quan nội tạng hoặc các cơ quan trên một con chip
• Một cấu trúc bắt chước phổi
• Một số thách thức đối với in sinh học
• Người giới thiệu

Linda Crampton đã dạy khoa học và công nghệ thông tin cho học sinh trung học trong nhiều năm. Cô ấy thích tìm hiểu về công nghệ mới.

Biến đổi y học với máy in 3D

In 3D là một khía cạnh thú vị của công nghệ có nhiều ứng dụng hữu ích. Một ứng dụng hấp dẫn và có khả năng rất quan trọng của máy in 3D là tạo ra các vật liệu có thể được sử dụng trong y học. Những vật liệu này bao gồm các thiết bị y tế có thể cấy ghép, các bộ phận cơ thể nhân tạo hoặc bộ phận giả và các dụng cụ y tế tùy chỉnh. Chúng cũng bao gồm các bản in của mô người sống cũng như các cơ quan nhỏ. Trong tương lai, các cơ quan cấy ghép có thể được in ra.

Máy in 3D có khả năng in các vật thể rắn, ba chiều dựa trên một mô hình kỹ thuật số được lưu trữ trong bộ nhớ của máy tính. Phương tiện in phổ biến là nhựa lỏng đông đặc sau khi in, nhưng các phương tiện khác cũng có sẵn. Chúng bao gồm kim loại dạng bột và "mực" chứa các tế bào sống.

Khả năng sản xuất vật liệu tương thích với cơ thể người của máy in đang được cải thiện nhanh chóng. Một số vật liệu đã được sử dụng trong y học trong khi những vật liệu khác vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm. Nhiều nhà nghiên cứu tham gia vào cuộc điều tra. In 3D có tiềm năng đáng kinh ngạc trong việc chuyển đổi phương pháp điều trị y tế.

Máy in 3D hoạt động như thế nào?

Bước đầu tiên trong quá trình tạo vật thể ba chiều bằng máy in là thiết kế vật thể đó. Điều này được thực hiện trong chương trình CAD (Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính). Sau khi thiết kế xong, một chương trình khác sẽ tạo ra các hướng dẫn để tạo đối tượng trong một loạt các lớp. Chương trình thứ hai này đôi khi được gọi là chương trình cắt lát hoặc phần mềm máy cắt lát, vì nó chuyển đổi mã CAD cho toàn bộ đối tượng thành mã cho một loạt các lát cắt hoặc các lớp ngang. Các lớp có thể lên đến hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn.

Máy in tạo đối tượng bằng cách đặt các lớp vật liệu theo hướng dẫn của chương trình máy cắt, bắt đầu từ dưới cùng của đối tượng và làm việc hướng lên trên. Các lớp kế tiếp được hợp nhất với nhau. Quá trình này được gọi là sản xuất phụ gia.

Sợi nhựa thường được sử dụng như một phương tiện để in 3D, đặc biệt là trong các máy in hướng đến người tiêu dùng. Máy in làm nóng chảy dây tóc và sau đó đùn nhựa nóng qua vòi phun. Vòi phun chuyển động theo mọi chiều khi nó giải phóng nhựa lỏng để tạo ra một vật thể. Chuyển động của vòi phun và lượng nhựa được ép đùn được điều khiển bởi chương trình máy cắt. Nhựa nóng đông đặc gần như ngay lập tức sau khi nó được giải phóng khỏi vòi phun. Các loại phương tiện in khác có sẵn cho các mục đích đặc biệt.

Phần tai có thể nhìn thấy từ bên ngoài của cơ thể được gọi là loa tai hoặc vành tai. Phần còn lại của tai nằm trong hộp sọ. Chức năng của loa tai là thu thập sóng âm thanh và gửi chúng đến phần tiếp theo của tai.

Tạo lỗ tai

Vào tháng 2 năm 2013, các nhà khoa học tại Đại học Cornell, Hoa Kỳ thông báo rằng họ đã có thể tạo ra một loa tai bằng phương pháp in 3D. Các nhà khoa học của Cornell đã thực hiện các bước như sau.

• Một mô hình của một cái tai đã được tạo ra trong một chương trình CAD. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng ảnh chụp của đôi tai thật để làm cơ sở cho mô hình này.
• Mô hình chiếc tai được in bằng máy in 3D, sử dụng nhựa để tạo khuôn có hình dáng chiếc tai.
• Một hydrogel có chứa một loại protein gọi là collagen được đặt bên trong khuôn. Hydrogel là một loại gel có chứa nước.
• Chondrocytes (tế bào sản xuất sụn) được lấy từ tai bò và được bổ sung vào collagen.
• Tai collagen được đặt trong dung dịch dinh dưỡng trong một đĩa thí nghiệm. Trong khi tai ở trong dung dịch, một số tế bào chondrocytes đã thay thế collagen.
• Tai sau đó được cấy vào lưng của một con chuột dưới da của nó.
• Sau ba tháng, collagen trong tai đã được thay thế hoàn toàn bằng sụn và tai đã duy trì hình dạng và sự khác biệt với các tế bào chuột xung quanh.

Sự khác biệt giữa khuôn và giàn

Trong quá trình tạo tai được mô tả ở trên, tai nhựa là một khuôn trơ. Chức năng duy nhất của nó là cung cấp hình dạng chính xác cho tai. Tai collagen hình thành bên trong khuôn đóng vai trò như một giá đỡ cho các tế bào chondrocytes. Trong kỹ thuật mô, giá thể là một vật liệu tương thích sinh học với hình dạng cụ thể trên đó tế bào phát triển. Giàn giáo không chỉ có hình dạng chính xác mà còn có các đặc tính hỗ trợ sự sống của các tế bào.

Kể từ khi quá trình tạo tai ban đầu được thực hiện, các nhà nghiên cứu của Cornell đã tìm ra cách in một giàn giáo collagen với hình dạng chính xác cần thiết để tạo ra một chiếc tai, loại bỏ yêu cầu về khuôn nhựa.

Lợi ích tiềm năng của Tai in

Tai được tạo ra với sự hỗ trợ của máy in có thể hữu ích cho những người bị mất tai do chấn thương hoặc bệnh tật. Họ cũng có thể giúp những người sinh ra không có tai hoặc có tai chưa phát triển bình thường.

Hiện tại, đôi tai thay thế được làm từ sụn trong xương sườn của bệnh nhân. Lấy sụn là một trải nghiệm khó chịu cho bệnh nhân và có thể làm hỏng xương sườn. Ngoài ra, tai tạo ra có thể trông không được tự nhiên cho lắm. Tai cũng được làm từ một chất liệu nhân tạo, nhưng một lần nữa kết quả có thể không hoàn toàn như ý. Tai in có khả năng trông giống tai tự nhiên hơn và hoạt động hiệu quả hơn.

Vào tháng 3 năm 2013, một công ty có tên là Oxford Performance Materials báo cáo rằng họ đã thay thế 75% hộp sọ của một người đàn ông bằng một hộp sọ bằng polyme in. Máy in 3D cũng được sử dụng để chế tạo các thiết bị chăm sóc sức khỏe, chẳng hạn như chân tay giả, máy trợ thính và cấy ghép nha khoa.

In hàm dưới

Vào tháng 2 năm 2012, các nhà khoa học Hà Lan thông báo rằng họ đã tạo ra một chiếc hàm dưới nhân tạo bằng máy in 3D và cấy ghép nó vào khuôn mặt của một phụ nữ 83 tuổi. Hàm được làm từ nhiều lớp bột kim loại titan nung chảy bằng nhiệt và được bao phủ bởi một lớp phủ gốm sinh học. Vật liệu gốm sinh học tương thích với mô người.

Người phụ nữ được làm hàm nhân tạo vì cô ấy bị nhiễm trùng xương mãn tính ở hàm dưới của chính mình. Các bác sĩ cảm thấy rằng phẫu thuật tái tạo khuôn mặt truyền thống là quá rủi ro cho người phụ nữ vì tuổi tác của cô ấy.

Hàm có các khớp để có thể cử động, cũng như các hốc để gắn cơ và các rãnh cho mạch máu và dây thần kinh. Người phụ nữ có thể nói một vài từ ngay khi tỉnh dậy sau thuốc mê. Ngày hôm sau cô đã có thể nuốt được. Cô ấy đã về nhà sau bốn ngày. Những chiếc răng giả đã được hẹn sẽ được cấy ghép vào xương hàm vào một ngày sau đó.

Cấu trúc in cũng đang được sử dụng trong đào tạo y tế và lập kế hoạch trước phẫu thuật. Mô hình ba chiều được tạo ra từ bản quét y tế của bệnh nhân có thể rất hữu ích cho các bác sĩ phẫu thuật, vì nó có thể hiển thị các tình trạng cụ thể bên trong cơ thể bệnh nhân. Điều này có thể đơn giản hóa phẫu thuật phức tạp.

Bộ phận giả và các vật dụng cấy ghép

Hàm kim loại được mô tả ở trên là một loại bộ phận giả hoặc một bộ phận cơ thể nhân tạo. Sản xuất chân tay giả là một lĩnh vực mà máy in 3D đang trở nên quan trọng. Một số bệnh viện hiện có máy in riêng hoặc đang hợp tác với một công ty cung cấp dịch vụ y tế có máy in.

Việc tạo ra một bộ phận giả bằng in 3D thường là một quá trình nhanh chóng và rẻ hơn so với việc tạo ra bằng các phương pháp sản xuất thông thường. Ngoài ra, việc tạo sự phù hợp tùy chỉnh cho bệnh nhân sẽ dễ dàng hơn khi thiết bị được thiết kế và in riêng cho người đó. Quét bệnh viện có thể được sử dụng để tạo ra các thiết bị phù hợp.

Các chi thay thế thường được in 3D ngày nay, ít nhất là ở một số nơi trên thế giới. Cánh tay và bàn tay in thường rẻ hơn đáng kể so với những cánh tay và bàn tay được sản xuất theo phương pháp thông thường. Một công ty in 3D đang hợp tác với Walt Disney để tạo ra những bàn tay giả đầy màu sắc và vui nhộn cho trẻ em. Ngoài việc tạo ra một sản phẩm rẻ hơn có giá cả phải chăng hơn, sáng kiến ​​này nhằm mục đích "giúp trẻ em xem bộ phận giả của chúng như một nguồn hứng thú hơn là sự bối rối hoặc hạn chế".

Các ví dụ khác

• Cuối năm 2015, các đốt sống in được đặt thành công cho một bệnh nhân. Bệnh nhân cũng đã được in xương ức và lồng ngực.
• In 3D được sử dụng để sản xuất cấy ghép nha khoa cải tiến.
• Các khớp hông thay thế thường được in.
• Các ống thông phù hợp với kích thước và hình dạng cụ thể của một đường đi trong cơ thể bệnh nhân có thể sớm phổ biến.
• In 3D thường liên quan đến việc sản xuất máy trợ thính.

In sinh học với các tế bào sống: Một tương lai có thể xảy ra

Việc in bằng tế bào sống, hay in sinh học, đang diễn ra ngày nay. Đó là một quá trình tinh vi. Các tế bào không được quá nóng. Hầu hết các phương pháp in 3D liên quan đến nhiệt độ cao, có thể giết chết các tế bào. Ngoài ra, chất lỏng mang cho các tế bào không được gây hại cho chúng. Chất lỏng và các tế bào mà nó chứa được gọi là mực sinh học (hoặc liên kết sinh học).

Thay thế nội tạng và mô

Việc thay thế các cơ quan bị hư hỏng bằng các cơ quan được làm từ máy in 3D sẽ là một cuộc cách mạng tuyệt vời trong y học. Hiện tại, không có đủ nội tạng hiến tặng cho những ai cần chúng.

Kế hoạch là lấy các tế bào từ chính cơ thể của bệnh nhân để in ra một cơ quan mà họ cần. Quá trình này sẽ ngăn chặn sự đào thải nội tạng. Các tế bào có thể là tế bào gốc, là những tế bào không chuyên biệt có khả năng tạo ra các loại tế bào khác khi chúng được kích thích một cách chính xác. Các loại ô khác nhau sẽ được máy in ký gửi theo đúng thứ tự. Các nhà nghiên cứu đang phát hiện ra rằng ít nhất một số loại tế bào của con người có khả năng tự tổ chức đáng kinh ngạc khi chúng được lắng đọng, điều này sẽ rất hữu ích trong quá trình tạo ra một cơ quan.

Một loại máy in 3D đặc biệt được gọi là máy in sinh học được sử dụng để tạo mô sống. Trong một phương pháp phổ biến để tạo mô, một hydrogel được in từ một đầu máy in để tạo thành một giàn giáo. Các giọt chất lỏng cực nhỏ, mỗi giọt chứa nhiều nghìn ô, được in lên giàn từ một đầu máy in khác. Các giọt sớm liên kết và các tế bào trở nên gắn vào nhau. Khi cấu trúc mong muốn đã hình thành, giàn giáo hydrogel được gỡ bỏ.Nó có thể bị bong ra hoặc có thể bị rửa trôi nếu nó tan trong nước. Giá thể phân hủy sinh học cũng có thể được sử dụng. Những thứ này dần dần bị phá vỡ bên trong một cơ thể sống.

Trong y học, cấy ghép là việc chuyển một cơ quan hoặc mô từ người cho sang người nhận. Cấy ghép là việc đưa một thiết bị nhân tạo vào cơ thể bệnh nhân. In sinh học 3D nằm ở đâu đó giữa hai thái cực này. Cả "cấy ghép" và "cấy ghép" đều được sử dụng khi đề cập đến các mặt hàng do máy in sinh học sản xuất.

Một số thành công của Bioprinting

Các bộ phận cấy ghép và bộ phận giả không sống được tạo ra bởi máy in 3D đã được sử dụng trên người. Việc sử dụng các mô cấy có chứa các tế bào sống cần nhiều nghiên cứu hơn đang được thực hiện. Toàn bộ nội tạng vẫn chưa thể được tạo ra bằng cách in 3D, nhưng các bộ phận của các cơ quan thì có thể. Nhiều cấu trúc khác nhau đã được in, bao gồm các mảng cơ tim có thể đập, các mảng da, các đoạn mạch máu và sụn đầu gối. Chúng vẫn chưa được cấy vào người. Tuy nhiên, vào năm 2017, các nhà khoa học đã trình làng một nguyên mẫu máy in có thể tạo ra da người để cấy ghép, và vào năm 2018, các nhà khoa học khác đã in giác mạc trong một quy trình có thể được sử dụng để sửa chữa những tổn thương ở mắt.

Một số khám phá đầy hy vọng đã được báo cáo vào năm 2016. Một nhóm các nhà khoa học đã cấy ba loại cấu trúc in sinh học dưới da chuột. Chúng bao gồm một loa tai ở tai người có kích thước bằng em bé, một phần cơ và một phần xương hàm của con người. Các mạch máu từ môi trường xung quanh kéo dài vào tất cả các cấu trúc này khi chúng ở trong cơ thể chuột. Đây là một sự phát triển thú vị, vì nguồn cung cấp máu là cần thiết để giữ cho các mô sống. Máu mang chất dinh dưỡng đến các mô sống và lấy đi chất thải của chúng.

Cũng rất thú vị khi lưu ý rằng các cấu trúc được cấy ghép có thể tồn tại cho đến khi các mạch máu phát triển. Kỳ tích này được thực hiện nhờ sự tồn tại của các lỗ chân lông nhỏ trong cấu trúc cho phép các chất dinh dưỡng xâm nhập vào chúng.

In các bộ phận của trái tim

Tạo giác mạc

Các nhà khoa học tại Đại học Newcastle ở Anh đã tạo ra giác mạc in 3D. Giác mạc là lớp trong suốt, bao bọc ngoài cùng của mắt chúng ta. Lớp phủ này bị hư hại nghiêm trọng có thể gây mù. Ghép giác mạc thường giải quyết được vấn đề, nhưng không có đủ giác mạc để giúp tất cả những người cần chúng.

Các nhà khoa học đã lấy được tế bào gốc từ giác mạc khỏe mạnh của con người. Sau đó, các tế bào được đặt trong một loại gel làm từ alginate và collagen. Gel bảo vệ các tế bào khi chúng di chuyển qua vòi phun duy nhất của máy in. Ít hơn mười phút là cần thiết để in gel và các tế bào theo hình dạng chính xác. Hình dạng thu được bằng cách quét mắt của một người. (Trong tình huống y tế, mắt của bệnh nhân sẽ được quét.) Sau khi hỗn hợp gel và tế bào được in, các tế bào gốc tạo ra giác mạc hoàn chỉnh.

Các giác mạc được tạo ra bởi quá trình in ấn vẫn chưa được cấy ghép vào mắt người. Nó có thể sẽ được một thời gian trước khi chúng được. Tuy nhiên, họ có tiềm năng giúp đỡ nhiều người.

Việc kích thích tế bào gốc sản sinh ra các tế bào chuyên biệt cần thiết để tạo ra một bộ phận cụ thể của cơ thể người vào đúng thời điểm là một thách thức. Tuy nhiên, đó là một quá trình có thể mang lại những lợi ích tuyệt vời cho chúng ta.

Lợi ích của các cơ quan nhỏ, các cơ quan nội tạng hoặc các cơ quan trên một con chip

Các nhà khoa học đã có thể tạo ra các cơ quan nhỏ bằng cách in 3D (và các phương pháp khác). "Cơ quan nhỏ" là phiên bản thu nhỏ của các cơ quan, các bộ phận của cơ quan hoặc các mảng mô từ các cơ quan cụ thể. Chúng được gọi bằng nhiều tên khác nhau ngoài thuật ngữ mini organ. Các tác phẩm được in có thể không chứa mọi loại cấu trúc có trong cơ quan có kích thước đầy đủ, nhưng chúng là những bản xấp xỉ tốt. Nghiên cứu chỉ ra rằng chúng có thể có những công dụng quan trọng, mặc dù chúng không thể cấy ghép.

Các cơ quan nhỏ không phải lúc nào cũng được tạo ra từ các tế bào do một người hiến tặng ngẫu nhiên cung cấp. Thay vào đó, chúng thường được tạo ra từ các tế bào của một người mắc bệnh. Các nhà nghiên cứu có thể kiểm tra tác động của thuốc đối với cơ quan mini. Nếu một loại thuốc được tìm thấy là hữu ích và không có hại, nó có thể được đưa cho bệnh nhân. Có một số lợi thế cho quá trình này. Một là thuốc có thể có lợi cho phiên bản cụ thể của bệnh và bộ gen cụ thể của họ có thể được sử dụng, điều này làm tăng khả năng điều trị thành công. Một nguyên nhân khác là bác sĩ có thể có được một loại thuốc bất thường hoặc bình thường đắt tiền cho bệnh nhân nếu họ chứng minh được rằng loại thuốc đó có thể có hiệu quả. Ngoài ra, thử nghiệm thuốc trên các cơ quan nội tạng mini có thể làm giảm nhu cầu đối với động vật thí nghiệm.

Một cấu trúc bắt chước phổi

Vào năm 2019, các nhà khoa học tại Đại học Rice và Đại học Washington đã chứng minh việc tạo ra một cơ quan mini mô phỏng phổi người đang hoạt động. Lá phổi nhỏ được làm bằng hydrogel. Nó chứa một cấu trúc giống như lá phổi nhỏ chứa đầy không khí theo các khoảng thời gian đều đặn. Một mạng lưới các mạch chứa đầy máu bao quanh cấu trúc.

Khi được kích thích, phổi mô phỏng và các mạch của nó nở ra và co bóp nhịp nhàng mà không bị vỡ. Video cho thấy cấu trúc hoạt động như thế nào. Mặc dù organoid không có kích thước đầy đủ và không bắt chước tất cả các mô trong phổi người, nhưng khả năng di chuyển như phổi của nó là một bước phát triển rất quan trọng.

Một số thách thức đối với in sinh học

Tạo ra một cơ quan phù hợp để cấy ghép là một nhiệm vụ khó khăn. Cơ quan là một cấu trúc phức tạp chứa các loại tế bào và các mô khác nhau được sắp xếp theo một mô hình cụ thể. Ngoài ra, khi các cơ quan phát triển trong quá trình phát triển phôi thai, chúng nhận được các tín hiệu hóa học cho phép cấu trúc tốt và hành vi phức tạp của chúng phát triển đúng cách. Những tín hiệu này bị thiếu khi chúng ta cố gắng tạo ra một cơ quan nhân tạo.

Một số nhà khoa học nghĩ rằng lúc đầu — và có lẽ trong một thời gian tới — chúng ta sẽ in các cấu trúc cấy ghép có thể thực hiện một chức năng duy nhất của một cơ quan thay vì tất cả các chức năng của nó. Những cấu trúc đơn giản hơn này có thể rất hữu ích nếu chúng bù đắp cho một khiếm khuyết nghiêm trọng trong cơ thể.

Mặc dù có thể sẽ mất nhiều năm trước khi các cơ quan được in sinh học có sẵn để cấy ghép, nhưng chúng ta có thể thấy những lợi ích mới của công nghệ trước đó. Tốc độ nghiên cứu dường như đang tăng lên. Tương lai của in 3D liên quan đến y học sẽ rất thú vị cũng như thú vị.

Người giới thiệu

• Một chiếc tai nhân tạo được tạo ra bởi máy in 3D và các tế bào sụn sống từ Tạp chí Smithsonian.
• Hàm cấy ghép bằng máy in 3D của BBC (British Broadcasting Corporation)
• Bàn tay in 3D đầy màu sắc của Hiệp hội Kỹ sư Cơ khí Hoa Kỳ
• Bioprinter tạo ra các bộ phận cơ thể được trồng trong phòng thí nghiệm riêng để cấy ghép từ The Guardian
• Giác mạc người được in 3D đầu tiên từ dịch vụ tin tức EurekAlert
• Máy in 3D tạo ra lá gan nhỏ nhất từ ​​trước đến nay của Nhà khoa học mới
• Các cơ quan được in 3D mini bắt chước tim và gan đang đập từ New Scientist
• Một cơ quan mô phỏng phổi từ Cơ học Phổ biến
• Máy in 3D mới tạo ra mô tai, cơ và xương có kích thước như người thật từ các tế bào sống từ Science Alert
• Máy in sinh học 3-D để in da người từ dịch vụ mới của Phys.org

Bài viết này chính xác và đúng theo hiểu biết tốt nhất của tác giả. Nội dung chỉ dành cho mục đích thông tin hoặc giải trí và không thay thế cho lời khuyên cá nhân hoặc lời khuyên chuyên nghiệp trong các vấn đề kinh doanh, tài chính, pháp lý hoặc kỹ thuật.