Công nghệ in 3D được phát triển từ thập niên 1980 nhằm thay thế các phương pháp chế tạo truyền thống như cắt gọt, đúc hoặc ép khuôn. Sau hơn 3 thập niên, công nghệ in 3D đã phát triển đến mức có thể in ra đủ mọi thứ, từ đồ chơi, máy móc cho tới cả một ngôi nhà. Thế nhưng, về cơ bản đó chỉ là những sản phẩm vô cơ. Công nghệ in 3D sinh học đang được các nhà khoa học phát triển là một kỹ thuật hoàn toàn mới với nhiều khác biệt. Trong đó, điều kiện đầu tiên là phải được thực hiện trong điều kiện vô trùng để tránh ô nhiễm mẫu in. Môi trường cũng phải có nhiệt độ, độ ẩm thích hợp để các tế bào không chết. Ngoài ra, vật liệu sử dụng trong in 3D sinh học cũng không thể là vật liệu trong in 3D thông thường mà đa dạng hơn rất nhiều. Ví dụ, in 3D xương cần một loại vật liệu bền vững và chắc chắn. Cơ tim cần có tính đàn hồi, còn các nội tạng mềm như gan cần loại vật liệu dẻo dai và có thể nén được. Đặc biệt, nội tạng cơ thể đều là các cấu trúc được xây dựng từ nhiều loại mô cực kỳ phức tạp, trong đó, mỗi mô lại được tạo thành từ nhiều loại tế bào, phối hợp với nhau để tạo nên cấu trúc của cơ quan cho phép chúng thực hiện đúng chức năng của mình. Vì thế, nguyên lý cơ bản của kỹ thuật in 3D sinh học là bắt chước đúng như những gì tự nhiên đã làm-sắp xếp các tế bào đúng vị trí và khiến chúng phục vụ đúng nhu cầu sinh học của cơ thể.

leftcenterrightdel
Các nhà khoa học Hà Lan phát triển thành công kỹ thuật in 3D mô chứa tế bào. Ảnh: Live Science

Năm 2003, công nghệ in 3D sinh học lần đầu tiên được ứng dụng tại Mỹ. Tuy nhiên khi đó, chỉ đơn giản là một phiên bản máy in được cải tiến, thay vì in ra mực thì in vật liệu sinh học. Hơn một thập niên sau, các nhà khoa học Mỹ đã tạo ra một cuộc cách mạng y khoa trong việc phục hồi các mô tim bị sẹo, di chứng của một cơn đau tim, bằng miếng vá 3D. Khi một người bị đau tim, máu không thể vận chuyển đến các cơ tim khiến chúng bị chết và tạo thành sẹo do cơ thể người không thể tự thay thế các tế bào cơ tim mới. Những sẹo này sẽ trở thành thủ phạm ảnh hưởng đến chức năng của tim và khiến một người bị suy tim trong tương lai. Các nhà khoa học của Trường Đại học Minnesota, Mỹ, đã sử dụng công nghệ in 3D để in một miếng vá, sau khi mô hình hóa cấu trúc tế bào tim bằng một máy quét 3 chiều rồi nuôi trong phòng thí nghiệm. Thành phần miếng vá chính là tế bào gốc được lấy từ tế bào tim của người trưởng thành. Kết quả trên chuột thí nghiệm cho thấy, miếng vá hoạt động rất hiệu quả, giúp cải thiện đáng kể chức năng của tim. Nó trở thành một phần của tim và thích nghi với cơ thể mà không cần phải phẫu thuật.

Mới đây nhất, những nhà khoa học tại Trường Đại học Twente, Hà Lan, đã phát triển thành công kỹ thuật cho phép in 3D mô chứa tế bào ở cấp độ chính xác cực kỳ cao. Kỹ thuật mới này mang tên “chất lỏng vi lượng trong không khí”, có khả năng tạo ra mô 3D đa tế bào dưới dạng ống. Với kết quả thu được, các bộ phận sống bị tổn hại được chữa lại nhờ vật liệu làm từ chính tế bào của bệnh nhân. Nhóm nhà khoa học Trường Đại học Twente đã in thử nghiệm được các cấu trúc khung nguyên mẫu như xương đùi, động mạch vành người, phôi tim gà, các nếp gấp bên ngoài não người... Nguyên liệu in được họ sử dụng là các vật liệu sinh học như chất tạo keo, tơ huyết (giúp tạo các cục máu đông cầm máu), alginate (có nhiều trong tảo biển)… Đó chính là các loại vật liệu mà cơ thể con người cũng sử dụng.

Hiện tại, để điều chế thành công một loại thuốc, các hãng dược phẩm phải chi trung bình 2,5 tỷ USD, với thời gian 10 năm và chỉ có dưới 10% cơ hội được phê duyệt. Chưa kể, trong quá trình thử nghiệm thuốc trên người rất có thể thất bại bởi các loại thuốc cho hiệu quả tốt trên động vật nhưng lại kém trên cơ thể bệnh nhân thực do khoảng cách loài giữa các đối tượng thử nghiệm, từ chuột tới linh trưởng và con người là rất lớn. Trong khi đó, việc tạo ra nội tạng bằng công nghệ in 3D sinh học có thể giải quyết cơ bản những rủi ro do không tồn tại khoảng cách giữa vật thí nghiệm và bệnh nhân. Mặt khác, chi phí của việc phát triển công nghệ in 3D sinh học thấp hơn nhiều lần so với điều chế thuốc.

HÀ DUY