Hiểu in sinh học 3D: Công nghệ và Tác động

3D bioprinting là gì?

In sinh học 3D là một công nghệ in sinh học tiên tiến sử dụng các kỹ thuật in 3D để chế tạo mô người và cấu trúc mô chức năng. Bằng cách lắng đọng chính xác các tế bào sống, vật liệu sinh học và hydrogel chứa đầy tế bào từng lớp, quy trình sản xuất phụ gia này cho phép kỹ thuật mô và kỹ thuật cơ quan cho các ứng dụng y học tái tạo.

Các giải pháp in sinh học tận dụng nhiều kỹ thuật in sinh học, bao gồm in sinh học dựa trên đùn, in sinh học hỗ trợ laser và công nghệ máy in phun, để tạo ra mô in sinh học bắt chước sự phức tạp của các cơ quan con người và mô sống.

Quá trình bắt đầu với quá trình in trước sinh học, trong đó phần mềm in sinh học thiết kế hình dạng mong muốn của mô mong muốn, tiếp theo là in và trưởng thành sau in sinh học. Các vật liệu sinh học khác nhau đóng vai trò là vật liệu cơ bản để hỗ trợ tế bào người, duy trì khả năng tồn tại của tế bào và mật độ tế bào để phát triển thích hợp. Các nhà khoa học sử dụng các phương pháp tự lắp ráp tự động và không có giàn giáo, kết hợp các khối xây dựng mô nhỏ giống với sự phát triển của cơ quan phôi thai.

Tế bào nội mô và các thành phần chất nền ngoại bào đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành các mạch máu, đảm bảo lưu lượng máu và chức năng đầy đủ trong cơ thể con người. Công nghệ tiên tiến này đang định hình tương lai của y học cá nhân hóa, khám phá thuốc và khoa học dược phẩm, cung cấp các phương pháp mới để thử nghiệm thuốc, phát triển thuốc và tạo ra các cơ quan nhân tạo.

Phương pháp in sinh học

In sinh học đã phát triển thành một lĩnh vực rất phức tạp, sử dụng các kỹ thuật in sinh học khác nhau để tạo mô chức năng, tăng cường kỹ thuật mô và nâng cao kỹ thuật cơ quan cho y học tái tạo.

In sinh học dựa trên đùn

In sinh học dựa trên đùn là một trong những kỹ thuật in sinh học được sử dụng rộng rãi nhất, dựa vào hệ thống phân phối có kiểm soát để lắng đọng các hydrogel chứa đầy tế bào và vật liệu sinh học từng lớp để tạo thành mô in sinh học. Phương pháp này cho phép kiểm soát chính xác mật độ tế bào, đảm bảo khả năng tồn tại của tế bào đồng thời tạo ra các mô của con người với hình dạng và cấu trúc mong muốn (Rossi và cộng sự, 2024).

Do tính linh hoạt của nó, cách tiếp cận này đặc biệt có lợi cho việc chế tạo các cơ quan nhân tạo, sụn và cấu trúc xương, làm cho nó trở thành một công cụ quan trọng trong y học tái tạo.

In sinh học dựa trên mực in

Công nghệ máy in phun đã được điều chỉnh để in sinh học 3D, sử dụng các giọt tế bào sống và vật liệu sinh học để xây dựng mô sống với thành phần và chức năng chính xác. Công nghệ in sinh học này được sử dụng rộng rãi trong phát hiện thuốc, thử nghiệm thuốc và khoa học dược phẩm, cho phép sàng lọc thuốc thông lượng cao trên mô in sinh học (Zhao và cộng sự, 2022).

Khả năng lắng đọng nhiều loại tế bào với độ phân giải cao làm cho in phun Bioprinting trở thành một phương pháp hiệu quả để tạo ra các khối xây dựng mô nhỏ cho sự phát triển cơ quan phôi thai và kỹ thuật cơ quan

In sinh học được hỗ trợ bằng laser

In sinh học được hỗ trợ bằng laser là một kỹ thuật tiên tiến sử dụng các xung laser để định vị chính xác các tế bào người, tạo thành các mô phức tạp của con người với mức độ tồn tại của tế bào và lưu lượng máu cao. Phương pháp này không yêu cầu vật liệu cơ bản, cho phép chế tạo mô không có giàn giáo thông qua việc tự lắp ráp tự động, bắt chước chặt chẽ các cơ quan tự nhiên của con người.

Tế bào nội mô và các thành phần chất nền ngoại bào được sắp xếp cẩn thận để tạo thành mạch máu, cải thiện chức năng mô và tích hợp vào cơ thể con người.

Hướng tương lai trong in sinh học

Tương lai của các giải pháp in sinh học nằm ở việc tối ưu hóa phần mềm in sinh học, cải thiện vật liệu sinh học và tinh chỉnh các quy trình sau in sinh học để phát triển các phương pháp mới để phát triển thuốc và y học cá nhân hóa.

Khi các nhà nghiên cứu tiếp tục khám phá các kỹ thuật sản xuất phụ gia, những đổi mới trong khoa học vật liệu và công nghệ in sinh học sẽ mở đường cho các ứng dụng in 3D tiên tiến hơn trong chăm sóc sức khỏe, thu hẹp khoảng cách giữa in thử nghiệm và các cơ quan đầy đủ chức năng (Kỹ thuật y sinh tự nhiên, n.d..).

Quá trình in sinh học

Quá trình in sinh học là một kỹ thuật rất tiên tiến kết hợp in sinh học 3D và kỹ thuật mô để tạo ra mô in sinh học cho các ứng dụng trong y học tái tạo, khám phá thuốc và kỹ thuật nội tạng.

Quá trình bắt đầu với pre-bioprinting, trong đó phần mềm in sinh học được sử dụng để thiết kế hình dạng và cấu trúc mong muốn của mô mong muốn. Tiếp theo, kỹ thuật in sinh học dựa trên đùn, in sinh học hỗ trợ laser hoặc máy in phun sẽ lắng đọng các hydrogel chứa đầy tế bào, vật liệu sinh học và tế bào sống từng lớp để xây dựng mô chức năng. Các kỹ thuật in sinh học này đảm bảo mật độ tế bào, khả năng tồn tại của tế bào và thành phần thích hợp, tạo thành các mô phức tạp của con người và thậm chí cả các cơ quan nhân tạo.

Sau khi in, sau in sinh học liên quan đến việc ủ cấu trúc để thúc đẩy sự phát triển của cơ quan phôi thai, cho phép tế bào người trưởng thành trong chất nền ngoại bào và tích hợp các mạch máu được hình thành bởi các tế bào nội mô để có lưu lượng máu thích hợp. Các phương pháp tiếp cận không có giàn giáo, chẳng hạn như tự lắp ráp tự động, sử dụng các khối xây dựng mô nhỏ để tăng cường chức năng sinh học.

Các ứng dụng của in sinh học

Công nghệ in sinh học đang cách mạng hóa chăm sóc sức khỏe bằng cách cho phép tạo ra mô chức năng, mô người và thậm chí cả các cơ quan nhân tạo, cung cấp các giải pháp in sinh học đột phá cho y học tái tạo, khám phá thuốc và y học cá nhân hóa.

Kỹ thuật mô và y học tái tạo

3D Bprinting đang biến đổi kỹ thuật mô bằng cách chế tạo mô in sinh học với các tế bào sống, chất nền ngoại bào và hydrogel chứa đầy tế bào. Những mô này có thể thay thế hoặc sửa chữa các mô bị tổn thương của con người, cải thiện phương pháp điều trị bỏng, vết thương và các bệnh thoái hóa. Khả năng in các cấu trúc không có giàn giáo bằng cách sử dụng các khối xây dựng mô mini và tự lắp ráp tự động giúp tăng cường khả năng tồn tại của tế bào và hỗ trợ sự phát triển của cơ quan phôi

Kỹ thuật nội tạng và cơ quan nhân tạo

Những tiến bộ trong kỹ thuật nội tạng đang đưa khả năng các cơ quan của con người được tạo ra thông qua các kỹ thuật in sinh học gần hơn với thực tế. In sinh học dựa trên đùn và in sinh học được hỗ trợ bằng laser cho phép các nhà nghiên cứu thiết kế các cấu trúc cơ quan phức tạp, tích hợp các tế bào nội mô và mạch máu để đảm bảo lưu lượng máu và chức năng thích hợp.

Những phát triển này có thể giải quyết cuộc khủng hoảng thiếu nội tạng toàn cầu bằng cách cung cấp mô in sinh học tùy chỉnh để cấy ghép.

Khám phá thuốc và nghiên cứu dược phẩm

Công nghệ in sinh học đang cách mạng hóa việc khám phá thuốc và thử nghiệm thuốc bằng cách tạo ra các mô ở người để đánh giá phản ứng của thuốc. Thay vì dựa vào các mô hình động vật, các nhà nghiên cứu sử dụng phần mềm in sinh học để phát triển vật liệu sinh học với mật độ tế bào chính xác và cấu trúc mô mong muốn, làm cho các thử nghiệm thuốc đáng tin cậy hơn. Sự tiến bộ này trong khoa học dược phẩm đẩy nhanh quá trình phát triển thuốc trong khi giảm các mối quan tâm về đạo đức.

Y học cá nhân hóa và những đổi mới trong tương lai

Với khả năng in mô sống bằng cách sử dụng in 3D, các giải pháp in sinh học cung cấp các phương pháp điều trị cá nhân bằng cách điều chỉnh tế bào người và vật liệu sinh học cho từng bệnh nhân. Sự đổi mới trong y học cá nhân hóa này cải thiện khả năng tương thích trong cấy ghép, phục hình và phẫu thuật tái tạo. Khi các phương pháp mới xuất hiện, các kỹ thuật in sinh học kết hợp sản xuất phụ gia, phần mềm in sinh học và khoa học vật liệu sẽ định hình tương lai của y học chính xác.

Tương lai của in sinh học

Tương lai của công nghệ in sinh học đang tiến bộ nhanh chóng, các nhà khoa học đang phát triển các phương pháp mới để cải thiện mô in sinh học, tích hợp các tế bào nội mô và mạch máu để đảm bảo lưu lượng máu thích hợp. Những tiến bộ chính bao gồm:

• Thuốc cá nhân: 3D Boprinting sẽ cho phép các giải pháp in sinh học tùy chỉnh phù hợp với từng bệnh nhân, cải thiện thành công cấy ghép và giảm tỷ lệ đào thải.
• Cơ quan nhân tạo: Sự phát triển của các mô người bằng cách sử dụng phương pháp in sinh học dựa trên đùn và in sinh học được hỗ trợ bằng laser có thể dẫn đến các cơ quan nhân tạo khả thi để cấy ghép.
• Xét nghiệm thuốc nâng cao: Các kỹ thuật in sinh học sẽ thay thế thử nghiệm trên động vật truyền thống bằng cách sử dụng mô chức năng và vật liệu sinh học để mô phỏng phản ứng của con người trong phát triển thuốc.
• Vật liệu thế hệ tiếp theo: Những đổi mới trong khoa học vật liệu và phần mềm Bprinting sẽ tăng cường cấu trúc mô không có giàn giáo, tối ưu hóa thành phần và chức năng của mô in sinh học.

Với những đột phá liên tục trong kỹ thuật mô, kỹ thuật nội tạng và khoa học dược phẩm, in sinh học được thiết lập để cách mạng hóa chăm sóc sức khỏe, cung cấp các giải pháp cho các tình trạng trước đây không thể điều trị được và mở đường cho tương lai của y học tái tạo.

Tài liệu tham khảo

Rossi, A., Pescara, T., Gambelli, A.M., Gaggia, F., Asthana, A., Perrier, Q., Basta, G., Moretti, M., Seninin, N., Rossi, F., Orlando, G., & Calafiore, R. (2024). Vật liệu sinh học cho các ứng dụng in sinh học và y sinh dựa trên đùn. Biên giới trong kỹ thuật sinh học và công nghệ sinh học, 12. https://doi.org/10.3389/fbioe.2024.1393641

Zhao, D., Xu, H., Yin, J., & Yang, H. (2022). In sinh học 3D in phun cho kỹ thuật mô và dược phẩm. Tạp chí Đại học Chiết Giang. Khoa học A, 23(12), 955—973. https://doi.org/10.1631/jzus.a2200569