Bioprinting (in sinh học) đang nổi lên như một công nghệ hứa hẹn nhất trong việc chế tạo ra các mô và nội tạng nhân tạo, có thể tạo nên một cuộc cách mạng trong lĩnh vực chẩn đoán và điều trị nhiều loại bệnh khác nhau.
 |
| In sinh học thương mại từ Organovo, công ty chuyên thiết kế và chế tạo các mô chức năng trên cơ thể người bằng công nghệ in 3D thuộc tính. Ảnh: Physicsworld.com |
“Bioprinting cũng có tiềm năng đem lại cách thức mới giúp tổng hợp tế bào với giá thành phải chăng và năng suất cao, từ đó có thể chế tạo ra những cấu trúc mô phức tạp, để sẵn sàng cung cấp rộng rãi cho cộng đồng các nhà nghiên cứu và khoa học gia”, Utkan Demirci - trưởng nhóm nghiên cứu tại Stanford cho biết. “Chúng tôi mong muốn mang tới giải pháp thực sự cho nhiều vấn đề hiện vẫn đang tồn tại trong y học.”
Demirci đã định nghĩa bioprinting như một tiến trình sử dụng các công nghệ sản xuất tiên tiến (có thêm phụ gia) để tạo ra những vật liệu sinh học như tế bào và phân tử sinh học, giúp chế tạo nên các cấu trúc mô phỏng mô trên cơ thể.
Hướng tiếp cận mới lạ này đòi hỏi phải có những vật liệu thích ứng sinh học gọi là mực sinh học (bioink), đóng vai trò chất nền trong việc in các tế bào, để sau đó chúng sẽ được nuôi trong các thùng chứa vi sinh và phát triển đầy đủ, hoàn thiện về mặt chức năng.
Kiểm soát ở cấp độ tế bào
Demirci và các đồng nghiệp đã khai thác nhiều công nghệ ở cấp độ vi mô và nano, bao gồm cả bioprinting và tổng hợp 3D để tạo thành các mô nhân tạo ứng dụng trong y sinh. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu này là kiểm soát môi trường vi tế bào, và cải thiện những giới hạn trong khả năng thao tác với tế bào, thông qua các nền tảng công nghệ nano và micro chuyên biệt.
Việc chế tạo thành công những kiến trúc bắt chước sự phức tạp của các mô tự nhiên, cũng như cả chức năng và cấu trúc của những tế bào cụ thể, được kỳ vọng sẽ mang lại nhiều ứng dụng quan trọng trong y học chính xác.
“Nhóm nghiên cứu chúng tôi đang hướng đến việc xây dựng các hệ thống tế bào phức tạp mô phỏng tự nhiên, nhưng chúng tôi cũng muốn xây dựng những hệ thống có cơ chế tự tổng hợp từ ban đầu”, Demicri giải thích. “Chính tác động của các ngoại lực sẽ kích thích hoạt động tự tổng hợp phức tạp, có thể là từ tính, điện hay thậm chí âm thanh”.
Ngoài ra, một số phương pháp tiếp cận mới đã được nhiều nhóm trên thế giới phát triển sau khi nghiên cứu của Demirci và các cộng sự được công bố hồi tháng 3/2016. “Một trong những ví dụ tiêu biểu là sáng tạo về nền tảng đệm từ trường không cần đánh dấu được phát triển riêng cho quy trình tổng hợp 3D đối với tế bào trong những cấu trúc sống phức tạp”, ông cho biết.
Vượt khỏi ranh giới hiện tại
Nhóm nghiên cứu của Demicri đã tập trung nhiều nỗ lực để chế tạo ra những cấu trúc sinh học thông qua cơ chế tự tổng hợp tế bào, hơn là phát triển các cấu trúc trên giá mô. Nhưng thời gian gần đây, họ trở nên quan tâm hơn đối với các cấu trúc tế bào nhờ chế tạo sinh học khi không có trường lực hấp dẫn – nhằm mục đích khám phá xem liệu các mô có như vậy thể được xây dựng trong không gian.
“Tất cả các phương pháp bioprinting hiện có đều dựa vào các giọt bioink (như in từng giọt đổ xuống hay đổ mực theo yêu cầu), hoặc trên những vật liệu bị ép đùn lên trên bền mặt, một trong những cách thức có chi phí phải chăng nhất để thực hiện in sinh học”, Demirci nhận định. “Chúng tôi cũng đang thử nghiệm một số phương pháp tiếp cận thay thế, như tổng hợp 3D tế bào nhờ sử dụng từ trường có kiểm soát, giúp định hướng các tế bào để tạo thành những cơ quan nội tạng.”
Trong tự nhiên, tế bào vốn có cơ chế tự tổng hợp ở cấp độ vi mô thành các kiến trúc nhỏ có cấu hình chức năng phức tạp, và ngày nay các nhà nghiên cứu đang tìm cách khai thác cơ chế này nhằm tổng hợp nên những hệ thống mô phỏng sinh học nhờ tri thức lý hóa.
“Tuy nhiên, cuối cùng chúng ta sẽ muốn mã hóa các vật chất sống đa tế bào 3D phức tạp, và đó thực sự là một thách thức thú vị bởi sự phức tạp trong kiến trúc và tính không đồng nhất về mặt không - thời gian.
Những kỹ thuật như vậy, sẽ có tiềm năng ứng dụng để tạo ra các vật chất sống 3D được kiểm soát về mặt hình học và tổ chức, cũng như những mô hình phỏng theo hành vi sinh lý và bệnh lý của mô.” Demirci tiếp tục. “Các mô hình như vậy sẽ trở nên rất giá trị trong hỗ trợ điều trị ung thư, như giúp kê thuốc chính xác để chăm sóc bệnh nhân tốt hơn.”
Theo Thế Hải (Khoa học và phát triển)
.