I. Tổng Quan Nghiên Cứu In 3D Trong Công Nghệ Mô Sinh Học
Công nghệ mô là một lĩnh vực liên ngành đầy hứa hẹn, tập trung vào việc tạo ra các mô và cơ quan nhân tạo để thay thế các bộ phận bị tổn thương. Bản chất của công nghệ mô là chế tạo khung hỗ trợ và cấy ghép tế bào cùng dưỡng chất lên đó, sau đó nuôi cấy trong môi trường sinh học. Khung hỗ trợ sinh học đóng vai trò quan trọng, là nơi tế bào sinh sôi và phát triển. Khả năng tương thích sinh học của vật liệu và khả năng điền đầy dung môi của khung ảnh hưởng lớn đến sự trao đổi chất và hình thành mô. Nghiên cứu này tập trung vào cấu trúc khung sinh học và đánh giá khả năng điền đầy dung môi, tạo cơ sở cho việc in các khung in sinh học phù hợp với nhiều loại mô khác nhau. Công nghệ này có ý nghĩa lớn trong việc nghiên cứu và chế tạo mô kỹ thuật tại Việt Nam. Theo nghiên cứu, công nghệ mô kết hợp ba yếu tố chính: tế bào, khung đỡ và tác nhân cơ sinh học hoặc sinh hóa.
1.1. Vai Trò Của Khung Hỗ Trợ Trong Công Nghệ Mô
Khung hỗ trợ, thường làm từ vật liệu sinh học tự phân hủy, đóng vai trò là nền tảng để tế bào gắn kết, tăng sinh và hình thành mô mới. Khung hỗ trợ với tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cao tạo điều kiện cho sự bám dính, tăng trưởng, di chuyển và biệt hóa của tế bào. Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc chế tạo và mô tả đặc tính của khung hỗ trợ cho các ứng dụng công nghệ mô. Khung hỗ trợ có ba đặc tính cơ bản: đặc tính hình học, cơ tính và đặc tính sinh học. Độ xốp và độ liên thông giữa các lỗ trong khung đóng vai trò quan trọng trong việc xâm nhập và liên kết tế bào để hình thành mô. Một khung hỗ trợ tốt cần đảm bảo sự cân bằng giữa các đặc tính này để tế bào xâm nhập và mạch máu hình thành.
1.2. Các Đặc Tính Hình Học Quan Trọng Của Khung In 3D
Khung hỗ trợ cần thể hiện ba đặc tính cơ bản: đặc tính hình học, cơ tính và đặc tính sinh học. Kết cấu của khung sinh học có thể ở dạng tấm mỏng, mảng, bọt xốp, sợi, lưới hoặc ống. Các kết cấu này được tạo hình bằng nhiều cách, nhưng chủ yếu là phương pháp truyền thống và phương pháp in 3D. Với công nghệ in 3D, các khung hỗ trợ được tạo ra dễ dàng kiểm soát được các đặc tính hình học, từ đó điều chỉnh được các đặc tính kỹ thuật và sinh học. Độ xốp vi mô và vĩ mô rất quan trọng đối với khả năng hấp thụ sinh học của vật liệu. Sự liên thông giữa các lỗ cũng là một đặc tính hình học quan trọng để đảm bảo sự phân tán hoạt chất sinh học và tế bào bên trong khung hỗ trợ.
II. Thách Thức Trong Thiết Kế Khung In 3D Cho Công Nghệ Mô
Mục tiêu của thiết kế khung in 3D là tạo ra cấu trúc hỗ trợ tạm thời, không chỉ hỗ trợ ba chiều cho sự phát triển và hình thành mô mà còn cung cấp môi trường sinh học cần thiết. Độ thấm thấu của khung hỗ trợ là một tham số quan trọng, thể hiện tốt nhất tất cả các đặc điểm hình học. Nó ảnh hưởng đến cách thức mà các chất dinh dưỡng và oxy phân tán qua khung xốp, ảnh hưởng đến hiệu quả cấy tế bào, sự thoái hóa của khung, nuôi cấy tế bào ba chiều và cuối cùng là sự hình thành xương. Giá trị tính thấm cao có thể cải thiện sự hình thành xương in vivo, trong khi giá trị thấp hơn cho phép nâng cao hiệu quả cấy tế bào lên khung. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc tối ưu hóa độ thấm thấu để đạt được sự cân bằng giữa các yếu tố này.
2.1. Ảnh Hưởng Của Cấu Trúc Lỗ Rỗng Đến Khả Năng Thẩm Thấu
Cấu trúc lỗ rỗng là một tham số quan trọng ảnh hưởng đến khung xương và đóng vai trò quan trọng trong các tính chất cơ học của quá trình di chuyển tế bào, hình thành mô bám dính và khuếch tán chất dinh dưỡng. Có nhiều thí nghiệm trong ống nghiệm về cấu trúc lỗ rỗng với các kết luận khác nhau và nhiều nghiên cứu chỉ giới hạn ở tế bào thí nghiệm. Các nghiên cứu đã mô tả một số loại khung hỗ trợ cơ bản dạng thẳng góc, dạng tam giác, lục giác và lượn sóng. Kết quả cho thấy mô-đun đàn hồi trượt của khung dạng lưới và lượn sóng tương tự nhau theo hướng x và y, cho thấy mô-đun đàn hồi trượt cao nhất so với các cấu trúc khác.
2.2. Tối Ưu Hóa Thiết Kế Để Cải Thiện Sự Phát Triển Xương
Nghiên cứu về cơ chế phát triển xương ở các cấu trúc khác nhau đã được chỉ ra bằng các thí nghiệm in vivo kết hợp với CFD. Kết quả cho thấy sự phát triển xương của đơn vị mạng tinh thể kim cương (DIA) là tốt nhất trong bốn kết cấu khung. Thông qua phân tích động lực học chất lỏng tính toán (CFD), tính thấm, vận tốc và quỹ đạo dòng chảy bên trong cấu trúc Khung đỡ đã được tính toán. Chênh lệch vận tốc chất lỏng bên trong cấu trúc DIA là nhỏ nhất và quỹ đạo của dòng chất lỏng bên trong Khung đỡ là dài nhất, có lợi cho sự phát triển của mạch máu, vận chuyển chất dinh dưỡng và hình thành xương.
III. Phương Pháp Thiết Kế Khung In 3D Tối Ưu Hóa Độ Điền Đầy
Dựa trên phương pháp mô hình hóa thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (CAD), công nghệ CAD đã được sử dụng để tạo ra các mô hình vi cấu trúc xốp với độ xốp và khả năng kết nối có thể kiểm soát được. Ưu điểm là xây dựng mô hình tương đối đơn giản, thuận tiện cho việc phân tích cơ học và có thể sử dụng công nghệ in 3D để hiện thực hóa mô hình một cách nhanh chóng. Do đó, nghiên cứu về khung xương xốp in 3D đã được thực hiện đáng kể trong những năm gần đây. Các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào việc thiết kế các khung xốp có kích thước lỗ rỗng, độ liên thông và đặc tính thẩm thấu phù hợp đối với sự trao đổi chất, nuôi cấy tế bào và hình thành mô xương.
3.1. Thiết Kế Cấu Trúc Khung Cơ Bản Và Các Biến Thể
Nghiên cứu này tập trung vào việc giữ nguyên kích thước lỗ và đánh giá ảnh hưởng của hình dáng lưới và sự sắp xếp của các lớp lưới đến mức độ điền đầy của khung hỗ trợ. Cấu trúc khung cơ bản kín có lỗ thông từ trên xuống, thành bên của các lỗ không có sự liên thông với nhau, đường in trùng nhau theo phương thẳng đứng, không có sự đan xen giữa các lớp. Cấu trúc này khiến cho dung môi trôi xuống dễ dàng, hạn chế sự bám dính của tế bào vào khung hỗ trợ, ảnh hưởng tới quá trình nuôi cấy mô.
3.2. Cải Thiện Tính Liên Thông Giữa Các Lỗ Trong Khung
Để tạo ra sự liên thông giữa các lỗ trong khung cơ bản, các đường in theo hướng ngang và dọc thay vì được in trên một lớp sẽ được in trên các lớp khác nhau. Khe hở giữa các lớp được tạo ra làm tăng tính liên thông của các lỗ. Các lỗ được liên thông hoàn toàn sẽ đảm bảo cho dung dịch nuôi cấy mang tế bào dễ dàng xâm nhập đến các vị trí của khung. Mặc dù cải thiện được tính liên thông của khung nhưng các lỗ vẫn có sự thông suốt từ trên xuống dưới làm cho tế bào khi nuôi cấy sẽ dễ bị trôi tuột từ trên xuống dưới đáy, làm giảm sự bám dính của tế bào trên bề mặt khung.
3.3. Giải Pháp Tạo Các Lớp Đan Xen Để Tăng Độ Bám Dính
Nghiên cứu này đã đề xuất ra giải pháp tạo các lớp đan xen. Qua đó với kết cấu khung vuông cơ bản, thay vì các lớp đều nhau từ trên xuống thì ở cấu trúc vuông dịch chỉnh, sau 2 lớp in đầu tiên, 2 lớp in tiếp theo sẽ được xê dịch đi một khoảng cách theo phương ngang và dọc làm cho các lớp đan xen với nhau. Nhìn từ lỗ lớp trên có thể thấy đường in lớp dưới, nên các lớp này dù liên thông với nhau nhưng hạn chế sự trôi của dung dịch nuôi cấy. Bên cạnh khung cơ bản dạng thẳng, khung dạng lượn sóng cũng được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng về hình dáng của lưới tới mức độ điền đầy của khung.
IV. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Đặc Tính Điền Đầy Của Khung
Độ xốp là tỉ lệ giữa thể tích phần lỗ rỗng hay khoảng trống nằm trong một khối chất hay vật liệu so với tổng thể tích của khối vật liệu đó. Độ rỗng được thể hiện bằng một số thập phân từ 0 đến 1, hoặc bằng tỉ lệ phần trăm từ 0% đến 100%. Độ xốp của mô hình CAD được tính toán dự trên thể tích của khung và thể tích tổng thể. Độ xốp của khung hỗ trợ được tính theo công thức.
4.1. Ảnh Hưởng Của Độ Xốp Đến Khả Năng Điền Đầy Dung Môi
Độ xốp của khung hỗ trợ được tính theo công thức. Trong đó là khối lượng của khung và là khối lượng riêng của vật liệu. Độ xốp của khung hỗ trợ có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi kích thước lỗ rỗng, khoảng cách giữa các sợi và số lượng lớp. Độ xốp cao hơn thường dẫn đến khả năng điền đầy dung môi tốt hơn, nhưng cũng có thể làm giảm độ bền cơ học của khung.
4.2. Tầm Quan Trọng Của Tính Liên Thông Giữa Các Lỗ Rỗng
Tính liên thông là khả năng kết nối giữa các lỗ rỗng trong khung. Tính liên thông cao cho phép dung môi và tế bào dễ dàng di chuyển qua khung, tạo điều kiện cho sự phát triển của mô. Tính liên thông có thể được cải thiện bằng cách thiết kế các lỗ rỗng có kích thước và hình dạng phù hợp, cũng như bằng cách sử dụng các kỹ thuật in 3D tiên tiến.
V. Đánh Giá Mức Độ Điền Đầy Của Khung Hỗ Trợ In 3D
Chương này trình bày về quá trình chế tạo khung hỗ trợ bằng công nghệ in 3D, sử dụng vật liệu PCL (Polycaprolactone). Các khung hỗ trợ được thiết kế với các cấu trúc khác nhau, bao gồm khung tròn cơ bản và khung chữ nhật cơ bản. Quá trình in được thực hiện với các thông số được tối ưu hóa để đảm bảo chất lượng và độ chính xác của khung. Sau khi in, các khung được đánh giá về tính điền đầy bằng cách sử dụng các phương pháp thực nghiệm.
5.1. Quy Trình Chế Tạo Khung Hỗ Trợ Bằng In 3D
Quá trình chế tạo khung hỗ trợ bắt đầu bằng việc thiết kế đường in cho khung tròn cơ bản và khung chữ nhật cơ bản. Vật liệu PCL được sử dụng do tính tương thích sinh học và khả năng phân hủy sinh học tốt. Các khung hỗ trợ 3D được in với các thông số như nhiệt độ, tốc độ in và chiều cao lớp được điều chỉnh để đạt được kết quả tốt nhất.
5.2. Thực Nghiệm Đánh Giá Tính Điền Đầy Của Khung
Thực nghiệm đánh giá tính điền đầy của khung được thực hiện bằng cách sử dụng một hệ thống đo mức độ điền đầy sử dụng camera tốc độ cao. Quá trình dung dịch điền vào khung được ghi lại và phân tích để xác định góc tiếp xúc và mức độ điền đầy của các khung cấu trúc khác nhau. Kết quả thực nghiệm cho thấy sự khác biệt đáng kể về tính điền đầy giữa các cấu trúc khung khác nhau.
VI. Kết Luận Và Xu Hướng Phát Triển Khung In 3D Tương Lai
Luận văn đã nghiên cứu tổng quan về công nghệ mô sinh học, tính cấp thiết của đề tài đối với ngành y học và các đặc tính cơ bản của khung hỗ trợ. Tính thẩm thấu của khung hỗ trợ không chỉ liên quan trực tiếp tới cơ tính và khả năng thẩm thấu của dương chất và trao đổi chất của khung. Kết cấu của khung hỗ trợ và đặc tính hình học và tính thẩm thấu của khung tương ứng với từng loại kết cấu có ý nghĩa quan trọng sẽ được tập trung nghiên cứu trong luận văn.
6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Về Khung In 3D
Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng cấu trúc khung có ảnh hưởng lớn đến tính điền đầy và khả năng hỗ trợ tế bào. Các khung có cấu trúc liên thông và độ xốp cao thường có tính điền đầy tốt hơn. Tuy nhiên, cần có sự cân bằng giữa độ xốp và độ bền cơ học để đảm bảo khung có thể chịu được tải trọng trong quá trình nuôi cấy mô.
6.2. Hướng Phát Triển Của Công Nghệ In 3D Trong Y Học Tái Tạo
Công nghệ in 3D trong y học tái tạo đang phát triển mạnh mẽ và hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng trong tương lai. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các vật liệu in 3D mới có tính tương thích sinh học cao hơn, cũng như các kỹ thuật in 3D tiên tiến hơn để tạo ra các khung hỗ trợ phức tạp và chính xác hơn. Ngoài ra, việc tích hợp các yếu tố sinh học như tế bào và yếu tố tăng trưởng vào quá trình in 3D cũng là một hướng đi đầy tiềm năng.
