CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D SINH HỌC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP IN 3D SINH HỌC 1.1 Tổng quan về công nghệ mô và in 3D 1.1 Công nghệ in 3D Công nghệ in 3D hay còn gọi là công nghệ bồi đắp vật liệu cho phép trực tiếp tạo ra sản phẩm từ mô hình vật thể CAD 3D. Không giống một phương pháp gia công cắt gọt truyền thống là loại bỏ vật liệu , công nghệ in 3D sẽ đắp dần vật liệu để tạo ra sản phẩm 3D từ mô hình vật thể rắn được thiết kế nhờ có sự trợ giúp của của phần mềm máy tính (CAD) [1]. Nguồn gốc của công nghệ in 3D bắt nguồn từ những năm 1980 khi công nghệ in SLA (Stereolithography) được phát minh bởi Hull [2].
SLA là một quá trình trong đó các photon từ nguồn ánh sáng laser tia cực tím (UV) được chiếu vào bề mặt của dung dịch nhựa quang hóa và làm đông đặc nhựa lỏng theo từng lớp để tạo thành sản phẩm. Hiện nay có nhiều phương pháp trong công nghệ in 3D được phát triển cho phép mở rộng các loại vật liệu in cho nhiều ứng dụng khác nhau. Ngày nay, công nghệ in 3D không còn giới hạn trong việc sử dụng để tạo mẫu nhanh trong kiểm nghiệm thiết kế hay xây dựng các mô hình thử nghiệm mà ngày càng được sử dụng để tạo ra nhiều loại sản phẩm cuối cùng. Sản phẩm của công nghệ in 3D có nhiều ứng dụng trong sản xuất chế tạo ở lĩnh vực hàng không, vũ trụ, trong xây dựng và y tế.
Trong tất cả các phương pháp in 3D, phương pháp đùn dây nhựa nhiệt dẻo (FDM) là công nghệ in 3D phổ biến nhất hiện nay với nhiều ứng dụng trong tạo mẫu nhanh và tạo các khung mô sinh học Phương pháp thiêu kết vật liệu (SLS) được sử dụng phổ biến trong in kim loại với các ứng dụng chế tạo các chi tiết siêu nhẹ như một sản phẩm cuối cùng trong ngành hàng không và vũ trụ [3]. Để đáp ứng nhiều ứng dụng khác trong đời sống, xây dựng và y tế nhiều công nghệ in 3D khác ra đời mà điển hình là công nghệ đùn dung dịch dạng sệt (LDM) mà ở đó dung dịch có thể là hỗn hợp bê tông dùng trong xây dựng nhà 3D hoặc các mực in sinh học trong in 3D sinh học [4].2 Công nghệ mô sinh học Hiện nay, nhu cầu cấy ghép tạng ngày càng tăng cao trong khi vẫn thiếu hụt các cơ quan hiến tặng. Sự mất cân bằng vẫn còn giữa cung và cầu ghép tạng đã thúc đẩy sự phát triển của các giải pháp thay thế. Công nghệ hay kỹ thuật mô (Tissue engineering) là một công nghệ có tiềm năng phát triển trong thời gian gần đây để phục hồi chức năng của các mô hoặc cơ quan bị tổn thương do tai nạn hoặc bệnh tật.
Công nghệ mô là ngành kỹ thuật mà trong đó có sự kết hợp chặt chẽ của công nghệ 1 tế bào, kỹ thuật vật liệu với các nhân tố sinh hóa, hóa lý phù hợp (Hình 1.1) nhằm phục hồi hoặc thay thế các chức năng trong cơ thể người. Gần đây, in sinh học đã nổi lên như một công nghệ trong kỹ thuật mô, nó là một phương pháp chế tạo hai chiều (2D) hoặc ba chiều (3D) sử dụng các tế bào sống, vật liệu sinh học và các phân tử hoạt tính sinh học để tạo ra các cấu trúc giống như mô hoặc cơ quan, bao gồm nhiều loại tế bào. Các cấu trúc in được thiết kế nhờ có sự trợ giúp của máy tính. Nhiều nhà nghiên cứu làm việc trong lĩnh vực y học tái tạo đã cố gắng phát triển các kiến trúc sinh học bằng công nghệ này.
Mục đính ứng dụng của công nghệ mô rất rộng, trong đó bao gồm: tạo ra các bộ phận có thể phục hồi hay thay thế một phần hay toàn bộ chức năng của một loại mô (ví dụ: xương, sụn, mạch máu, da, lỗ tai hay cơ,…); tạo ra các bộ phận có cấu trúc và chức năng tương tự như mô thật nhưng hoàn toàn không bị thay thế (ví dụ: van tim, dây chằng,…). Mô hình hoạt động ngành công nghệ mô [5] Công nghệ mô liên quan tới ba thành phần: - Các tế bào được chọn lọc và thu nhận như tế bào da, tế bào xương hay tế bào gốc… - Khung hỗ trợ sinh học (scaffold) có nguồn gốc tự nhiên hoặc ở dạng tổng hợp. - Các phân tử tín hiệu (signal molecules) như protein và các nhân tố tăng trưởng. Mô hoặc cơ quan có thể tạo thành thông qua một số phương pháp.
Trong đó phương pháp phổ biến nhất liên quan tới thu nhận các tế bào đặc hiệu mô từ mẫu sinh thiết mô nhỏ của bệnh nhân và thu nhận bằng nuôi cấy in vitro. Các tế bào thu nhận 2 sau đó được tăng sinh và cấy vào khung hỗ trợ 3D (three-dimension scaffold) có cấu trúc bắt chước chất nền ngoại bào (extracellular matrices - ECM, có tác dụng ổn định cấu trúc tế bào và thực hiện một số chức năng khác) của mô mục tiêu. Chức năng chính của khung sinh học là: - Đưa các tế bào vào các vị trí mong muốn trong cơ thể bệnh nhân. - Kích thích tương tác giữa tế bào – vật liệu sinh học.
- Tăng cường sự bám dính tế bào. - Cho phép vận chuyển đầy đủ oxygen, chất dinh dưỡng và các nhân tố tăng trưởng đề đảm bảo tế bào tồn tại, tăng sinh và biệt hóa. - Kiểm soát cấu trúc và chức năng của mô được tạo ra. Tế bào được đưa vào khung sinh học dưới nhiều hình thức, sau đó cấy ghép vào cơ thể bệnh nhân bằng cách tiêm trực tiếp hoặc cấy mô vào vị trí mong muốn trên cơ thể người bệnh bằng phương pháp phẫu thuật.2 là một số sản phẩm ứng dụng của ngành công nghệ mô và y học tái tạo.
Các sản phẩm trong ngành Kỹ thuật mô và Y học tái tạo (Nguồn bme.2 Công nghệ in 3D sinh học In 3D mở ra một kỉ nguyên cách mạng trong thiết kế và phát triển sản phẩm y tế, được sử dụng rộng rãi để chế tạo khung sinh học 3D. Vật liệu sinh học được in ra 3 bởi đầu in đến các điểm cụ thể được thiết lập sẵn trên máy tính. In 3D sinh học đã được sử dụng rộng rãi để xây dựng các cấu trúc mô tế bào do khả năng lặp lại và độ chính xác cao. Công nghệ in 3D sinh học là một kỹ thuật sử dụng máy in 3D để tạo ra các cấu trúc sinh học tích hợp hoặc không tích hợp với tế bào.
In 3D sinh học chia làm 2 loại chính in khung 3D và in sinh học. a) In khung 3D (Conventional scaffold printing) Một trong những phương pháp phổ biến trong kỹ thuật mô là phát triển các khung sinh học (scaffold) được thiết kế để làm môi trường tối ưu cho sự gắn kết và phát triển của tế bào, tái tạo mô. Một số kỹ thuật truyền thống đã được sử dụng cho khung sinh học, bao gồm cán màng, đúc, liên kết sợi, v. Việc xây dựng các hình dạng chính xác về mặt giải phẫu cho từng bệnh nhân với cấu trúc hình học bên trong được kiểm soát tốt, bao gồm kích thước lỗ và sự phân bố là một thách thức lớn.
Việc nghiên cứu chính đối với các khung sinh học là duy trì hình dạng và đặc tính cơ học để hỗ trợ gắn kết tế bào và cung cấp chất nền để tế bào sinh thành các mô ba chiều. Trong quá trình hình thành và phát triển mô, vật liệu làm khung sẽ dần bị phân hủy trong khi các tế bào phát triển qua các lỗ trống. Cuối cùng, các vị trí bị suy thoái tạo thành mô mới và phục hồi chứng năng của mô bị bệnh hoặc hư hỏng. Các kỹ thuật in 3D như FDM, SLS và SLA đã được sử dụng để chế tạo các cấu trúc mô hoạt tính sinh học bằng cách thay thế các vật liệu đang được xử lý bằng vật liệu sinh học tương thích như nhựa tổng hợp và polyme tự nhiên, vật liệu gốm tự nhiên và vô cơ hoặc kim loại phân hủy sinh học được phát triển gần đây.
Sự thích ứng của in 3D vào công nghệ mô mang lại khả năng độc đáo trong việc chế tạo nhanh chóng khung sinh học với độ rỗng được kiểm soát và cấu trúc bên trong, các đặc tính cơ học và cấu trúc có thể điều chỉnh được thông qua việc thiết lập các tham số đầu vào trước khi chuyển đổi mô hình thành tập tin G-code có thể in được. Đặc tính của các sợi in (đường kính, độ đồng nhất và khoảng cách) có thể được thay đổi bởi các yếu tố như tốc độ, nhiệt độ và đường kính đầu in. Nhược điểm lớn nhất của phương pháp in khung 3D là tế bào được cấy ghép vào sau sẽ khó có thể kiểm soát được vị trí trong không gian khung dẫn đến sự hình thành mô trong khung in 3D không đạt được độ đồng nhất cao. b) In 3D sinh học (Bioprinting) Kỹ thuật này sử dụng các nguyên liệu sinh học như nhựa sinh học tự nhiên dạng hydrogel để tạo ra các mô hình 3D, sau đó sử dụng các biến đổi sinh học để kích hoạt và tăng trưởng các tế bào trong mô hình như trong Hình 1.
Công nghệ in 3D sinh học có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm y học, vi sinh học, và khoa học cấu trúc tế bào. 4 In 3D sinh học (3D Bioprinting) là sự kết hợp của các lĩnh vực sản xuất bồi đắp, kỹ thuật mô, y học tái tạo và chế phẩm sinh học. Nói chung 3D sinh học có thể sử dụng phương pháp lắng đọng từng lớp vật liệu được gọi là mực sinh học để tạo ra các cấu trúc giống như mô mà sau này được sử dụng trong các lĩnh vực kỹ thuật mô và y tế khác nhau [6]. In 3D sinh học bao gồm một loạt các kỹ thuật in sinh học và vật liệu sinh học.
Với dạng in 3D sinh học có kết hợp với tế bào, vị trí của tế bào trong khung được sắp đặt sẵn theo thiết kế đảm bảo sự phân bố tế bào ở vị trí mong muốn do đó đạt độ đồng đều cao hơn so với phương pháp in khung 3D. Mực sinh học: Mực in sinh học là một nguyên liệu in có thành phần chính là hydrogel hoặc các chất ngoại bào có chứa dưỡng chất hoặc/và các tế bào sống. Trộn lẫn vào hydrogel là hàng triệu tế bào sống cũng như các dưỡng chất khác nhau khuyến khích các tế bào giao tiếp và phát triển.