In 3D và Cuộc Cách Mạng Công Nghệ Y Học

In 3D là một quy trình tạo nên các vật thể rắn 3 chiều từ một tập tin kĩ thuật số. Trong số rất nhiều ứng dụng của Công Nghệ In 3D thì điều các nhà nghiên cứu quan tâm nhất là làm thế nào nó có thể được sử dụng để cải thiện đời sống hay thậm chí là kéo dài tuổi thọ. Với những tiến bộ đáng ngạc nhiên trong công nghệ in 3D, cơ thể con người một ngày nào đó có thể được xem như một hệ thống với các bộ phận thay thế được. Đây không phải là khoa học viễn tưởng và cũng không quá xa vời như chúng ta nghĩ.

Nha khoa và chân tay giả:

 2 ứng dụng của công nghệ in 3D hiện đã mang lại doanh thu trong ngành kinh doanh y tế đó là chế tạo chân răng, cầu răng, Bộ Phận Cấy Ghép nha khoa và sản xuất chân tay giả.

Với quy trình chế tạo răng, răng của bệnh nhân sẽ được quét ngay trong vòm miệng và số hóa, sau đó dữ liệu được đăng tải lên máy tính và email đến một phòng thí nghiệm nha khoa để tiến hành tạo hình một cầu răng bằng sứ mới. Qua phương thức này, răng giả sẽ được tạo ra với độ chính xác cao hơn và nhanh hơn. Đồng thời, bệnh nhân sẽ không còn phải chịu đựng sự đau đớn, mùi hôi hám và thiếu thẩm mỹ của vật liệu đúc và trám truyền thống.

Ngoài ra, công nghệ in 3D cũng mang lại một sự thay đổi lớn trong quy trình sản xuất và điều chỉnh bộ phận chân tay giả.

Scott Summit – đồng sáng lập Bespoke Innovations

Scott Summit – Nhà thiết kế công nghiệp kiêm đồng sáng lập công ty Bespoke Innovations cho biết: “Cách thức sản xuất chân tay giả vẫn không hề thay đổi trong nhiều năm qua. Bạn lấy một miếng bọt biển, gọt đẻo nó theo hình dáng xấp xỉ của chân một người nào đó, sau đó tạo khuôn và đúc.” Ông nói tiếp, với công nghệ in 3D: “Chúng tôi muốn thiết kế và sản xuất một thứ gì đó độc đáo và cá nhân hóa hơn nhằm mang tính nhân bản đến những ai bị mất chi do tai nạn hay bẩm sinh.”

Bespoke Innovations hiện đang sản xuất lớp phủ tùy biến cho các bộ phận chân tay giả hay “lớp bọc” theo cách gọi của công ty. Sản phẩm phản ánh chính xác sự cân bằng về mặt tạo hình và chức năng giữa chân tay giả và phần chân tay thật còn lại. Thêm vào đó, lớp bọc có thể được thiết kế theo cảm nhận thời trang của người mang. “Chúng tôi đang biến những thứ tưởng chừng rất tầm thường và mất nhân tính thành một thứ tuyệt vời hơn,” Summit nói.

Ứng dụng của công nghệ in 3D còn vượt ra khỏi việc sản xuất chân tay giả. Hồi tháng 2, các bác sĩ và kĩ sư tại Hà Lan đã cùng nhau chế tạo một chiếc cằm dưới nhân tạo bằng công nghệ in 3D sau đó Cấy Ghép vào một bệnh nhân nữ 83 tuổi mắc chứng viêm xương tủy. Máy in đã tạo ra chiếc cằm từ 33 lớp bột titanium nóng chảy được phủ lên trên một bộ khung xương bằng gốm sinh học.

Ứng dụng trên của công nghệ in 3D không chỉ là một phát kiến mới đối với bệnh nhân mà cả cácbác sĩ. In 3D có thể cải thiện kết quả y tế bằng cách giúp các bác sĩ phẫu thuật lên kế hoạch ca mổ hiệu quả hơn. Theo tiến sĩ Anthony J. Atala – giám đốc viện y học hồi sức Wake Forest Insitute, các liệu pháp thông thường đối với những bệnh nhân bị vỡ khung chậu do tai nạn xe hơi vẫn là chụp X quang hay quét CAT phần xương bị gãy, lên kế hoạch phẫu thuật và tiến hành ghép xương. Tuy nhiên, khi mà tính mạng bệnh nhân đang bị đe dọa thì việc ghép xương trong một khoảng thời gian chính xác là điều tối cần thiết.

“Sẽ hiệu quả hơn nếu quét phần khung chậu của nạn nhân và tái tạo phần xương vỡ bằng kỹ thuật in 3D,” Atala cho biết. “Các bác sĩ phẩu thuật sẽ có ngay các phần xương vỡ được in, thiết kế các phần xương thay thế cần thiết và sẵn sàng ca mổ.”

Các bộ phận cấy ghép:
Có lẽ, ứng dụng tiềm năng nhất đối với công nghệ in 3D trong thế giới y học là “‘In Sinh Học” (bioprinting) – sản xuất các bộ phận trên cơ thể người để cấy ghép.

Công nghệ này liên quan đến việc tạo ra các mô và cơ quan nội tạng được in từng lớp vào một cấu trúc 3 chiều. Các bộ phận được chế tạo từ chính vật chất di truyền của bệnh nhân và tương thích chính xác với mô và bộ phận muốn thay thế. Thử nghĩ xem, những bộ phận như da, khí quản, bàng quang và cả những bộ phận có cấu trúc phức tạp hơn như tim đang chờ để được in theo yêu cầu với chỉ một cú click chuột.

Kể từ khi các cơ quan hay mô được in bằng chính các tế bào của chủ nhân thay vì được hiến tặng từ những người hảo tâm, rủi ro về phản ứng miễn dịch cũng giảm đi đáng kể.

Những phát kiến về công nghệ in sinh học đã liên tục gia tăng, giống như cuộc đua lên mặt trăng vào thời đại trước. Mục tiêu của công nghệ đang được đặt rất cao nhưng có thể đạt được và ngay trong năm 2009, chiếc Máy In Sinh Học 3D thương mại đầu tiên đã được phát triển bởi công ty Organovo.

Công ty công nghệ in sinh học có trụ sở chính tại San Diego này đã ký kết các hợp đồng hợp tác với nhiều công ty y dược/y khoa như Pfizer và cả những viện nghiên cứu hàng đầu như trường y học Harvard và Sanford Consortium for Regenerative Medicine. Thị trường chủ đạo của chiếc máy in sinh học 3D NovoGen MMX hiện tại là các học viện nghiên cứu các chứng bệnh và công ty y dược để thử nghiệm thuốc, mặc dù trong thời gian tới, công ty sẽ tìm cách đưa sản phẩm vào hệ thống bệnh viện. Đến nay, máy in NovoGen chỉ có thể in các mô đơn giản như da, tấm vá cơ tim và mạch máu nhưng công ty cũng hứa hẹn rằng chiếc máy in sẽ được nâng cấp để thực hiện các bộ phận cứng như tim và gan.

Ngoài NovoGen, một loại máy in sinh học 3D khác cũng đang được phát triển tại Viện Wake Forest. Vào năm 2003, tiến sĩ Atala và các cộng sự đã cho đăng tải nội dung nghiên cứu của mình trên tạp chí Nature Biotechnology. Nghiên cứu của Atala đã chứng minh khả năng hoạt động – lọc máu, sản sinh và loãng hóa nước tiểu, của những quả thân nhân tạo với tỉ lệ nhỏ hơn được in từ máy in sinh học 3D. Wake Forest hiện đang sử dụng một chiếc máy in sinh học 3D để chế tạo các nguyên mẫu phức tạp hơn của những quả thận này. Mục tiêu của Wake Forest là tạo ra các quả thận lớn hơn với khả năng hoạt động không khác gì thận thật cũng như các cơ quan rắn khác như tim, gan và tử cung. Theo tiến sĩ Atala: “Các ứng dụng khác đã cho thấy những kết quả rất hứa hẹn trong việc tạo ra tai, cơ và xương chậu,” và ông hy vọng rằng công nghệ in sinh học 3D sẽ không chỉ dừng lại ở đây.

Ngành kinh doanh in sinh học:
Các nhà nghiên cứu từ công ty in sinh học Organovo cũng như các đại học như Wake Forest, Stanford và Harvard hiện đang thu thập dữ liệu cần thiết để chứng minh tính khả thi của công nghệ in sinh học 3D. Một khi dữ liệu được thu thập đầy đủ, quy trình thử nghiệm lâm sàn sẽ bắt đầu và tại một thời điểm nào đó trong tương lai, Cơ quan quản lý thực phẩm và dược phẩm (FDA) Hoa Kỳ có thể sẽ “bật đèn xanh” để công nghệ in sinh học được công nhận như một liệu pháp chữa bệnh.

Nếu và khi điều này xảy ra, mục tiêu quan trọng đối với công nghệ là sản xuất hàng loạt các tế bào của người với đủ mọi hình dạng từ dẹt, ống đến rỗng cho đến các cấu trúc cơ quan. Không giống như một chiếc chân giả, một quả thận nhân tạo không cần thiết phải giống chính xác thận thật. Thay vào đó, nó cần phải có kích thước phù hợp với cơ thể bệnh nhân và được chế tạo từ những tế bào của chính họ. Tuy nhiên, việc tùy biến sẽ phụ thuộc nhiều vào các thành phần tế bào so với việc tái tạo hình dạng của cơ quan gốc. Vì vậy, thay vì “một cỡ cho duy nhất 1 người”, thận sẽ được chế tạo theo dạng “nhiều cỡ hợp với mọi người” mặc dù vật liệu dùng trong mỗi trường hợp – ở đây là các tế bào của chủ nhân, sẽ khác nhau.

“Bằng cách lập trình trước những gì bạn muốn tạo ra trên một máy tính, bạn lúc nào cũng có thể thực hiện chính xác quy trình, qua đó giảm giá thành xuống,” tiến sĩ Atala giải thích. Ông nói thêm: “Việc nghiên cứu và phát triển luôn rất đắt đỏ, một phần trong đó là do thời gian cần để đưa một công nghệ mới vào thị trường. Về mặt cơ bản, cho là chi phí phát triển cao thì những gì chúng ta có thể đạt được về mặt khoa học còn tùy thuộc vào những nguồn tài nguyên. Thế nhưng, biết đâu 1 ngày nào đó, có lẽ là thế hệ con cháu chúng ta, bạn sẽ có được một quả tim được tạo từ chính những tế bào mô của mình. Điều này hẳn sẽ rất tuyệt vời phải không nào?”

Vẫn còn quá sớm để các nhà nghiên cứu và các nhà khoa học tính toán cụ thể chi phí sản xuất hoặc lưu giữ các mô và cơ quan được in bằng công nghệ in sinh học hay chi phí để tùy biến những sản phẩm có thể sản xuất một khi nhu cầu được xác định. Tuy nhiên, chi phí trung bình theo ước tính của các thủ tục cấy ghép bộ phận cơ thể ngày nay tại Mỹ thấp nhất cũng đã vào hàng 6 chữ số và có thể gia tăng lên hơn 1 triệu USD.

Theo United Network for Organ Sharing (UNOS), hơn 113.000 bệnh nhân tại Mỹ hiện đang chờ đợi cấy ghép nội tạng nhưng vấn đề cấy ghép những cơ quan hiến tặng vẫn gặp không ít khó khăn. “Chỉ có 1 đến 2% số người chết đi trong điều kiện có thể hiến tặng nội tạng,” Anne Paschke, người phát ngôn của UNOS cho biết. ” Vì vậy, chúng tôi đang phải đối mặt với tình trạng người bệnh họ vẫn đang chờ đợi, hy vọng, để rồi tuyệt vọng và chết dần chết mòn. Mọi công nghệ, bao gồm cả công nghệ in sinh học 3D sẽ góp phần giảm bớt nhu cầu hiến tặng nội tạng và cứu sống được rất nhiều mạng người.”