Bước tiến mới với công nghệ in 3D

Mô hình thùy gan được tạo bởi công nghệ in 3D (trái) bên cạnh thùy gan thật (phải) (Ảnh: NN ZEIN ET AL)

Đây là hai thùy gan thuộc cơ thể một người hiến tạng (ảnh bên phải), và mô hình bằng nhựa resin được tạo bởi công nghệ in 3D (ảnh bên trái) với đầy đủ các chi tiết từ ống dẫn mật đến động mạch và tĩnh mạch. 
Mô hình này giúp các bác sĩ có thể phân tích, lập kế hoạch và thực hành các thao tác phức tạp trên vật mẫu trước khi tiến hành trên cơ thể người, đồng thời phục vụ việc đào tạo các bác sĩ mới, chưa có kinh nghiệm.
Quá trình phẫu thuật đòi hỏi bác sĩ phải thao tác dao mổ và chỉ khâu nhanh, chính xác. Trên thực tế, việc phẫu thuật rất phức tạp bởi cơ thể mỗi người đều khác nhau, các cơ quan nội tạng không có một mẫu chung nào cả. Do đó, việc tạo các mô hình nội tạng bằng công nghệ in 3D mô phỏng chính xác cơ thể của từng bệnh nhân, giúp các bác sĩ có thể thực hành trước, giảm thiểu rủi ro khi bước vào ca mổ chính thức.
Để in 3D một bộ phận bên trong cơ thể, trước tiên, các nhà khoa học kết hợp nhiều lát cắt 2D kỹ thuật số liên tiếp chụp từ CT hoặc MRI quét vào bản vẽ trên máy tính để phác họa hình dạng, cấu trúc của bộ phận. Tiếp đến, máy in sẽ phun các giọt nhựa resin tạo thành lớp 2D và xếp chồng từng lớp 2D lên nhau tạo thành vật thể 3D. Sau khi in, một số chất liệu nhựa, mực in sẽ cứng ngay lập tức, số khác cần ánh sáng tia cực tím (UV) hoặc một quá trình hóa học hoặc vật lý bổ sung để ổn định cấu trúc.
Công nghệ này ra đời vào những năm 1980 với giá thành cao và nguồn nguyên vật liệu hạn chế. Tuy nhiên, hiện nay, với những những tiến bộ về công nghệ, máy in 3D đã trở nên phổ biến và được sử dụng rộng rãi hơn. Những cải tiến về phần mềm và phương pháp in giúp các nhà khoa học có thể in các hỗn hợp phức tạp đa dạng về màu sắc, kết cấu với độ chính xác cao, từ đó tạo ra các mô hình chính xác và chân thực.

Bác sĩ Nizar Zein, Trung tâm y tế Cleveland, Mỹ trong một hội thảo về ứng dụng công nghệ in 3D trong phẫu thuật

Năm 2012, Nizar Zein, một bác sĩ chuyên khoa tiêu hóa tại Trung tâm y tế Cleveland, Mỹ (Cleveland Clinic) lần đầu tiên nảy ra ý tưởng về việc in các mô hình cơ quan nội tạng sau khi đọc được thông tin về các ngôi nhà được xây dựng từ công nghệ in 3D. 
Mỗi lá gan đều có một hệ thống động mạch, tĩnh mạch và ống mật phức tạp, việc cắt nhầm có thể dẫn đến các biến chứng, thậm chí tử vong ở người hiến hoặc người nhận. Ông tự hỏi liệu phương pháp này có thể đảm bảo an toàn tính mạng hơn cho cả người hiến và người nhận trong quá trình phẫu thuật cấy ghép gan không.
Và thế là, Zein đã tập hợp một nhóm các bác sĩ lâm sàng, chuyên gia hình ảnh, kỹ sư và nhà thiết kế phần mềm nhằm nghiên cứu làm sao có thể sử dụng công nghệ in 3D để tạo ra một lá gan với chất liệu nhựa nhân tạo resin phục vụ phẫu thuật thử nghiệm.
Nguyên mẫu đầu tiên rất thô sơ với kích thước nhỏ hơn ba phần tư, không hoàn toàn thể hiện đủ mọi chi tiết của gan và không làm nổi bật đủ màu sắc của các loại mô khác nhau. 
Tuy nhiên, các bác sĩ không thể phủ nhận vai trò của nó. Bác sĩ Zein cho biết: “Mô hình này nếu ra đời sớm hơn có thể là ‘cứu tinh’ của một ca phẫu thuật khi một người hiến gan đã gặp phải biến chứng nguy hiểm trên bàn mổ”.
Năm 2013, Zein đã tinh chỉnh lại mô hình theo kích thước thật của một quả gan sao cho đồng nhất cả về cấu trúc lẫn hình dạng. Từ đó, trong nhiều ca mổ, nhờ vào việc quan sát trên mô hình nội tạng nhân tạo, các bác sĩ đã dễ dàng phác thảo kế hoạch phẫu thuật phù hợp hơn, thậm chí còn có thể kết luận người hiến tạng đó có phù hợp để hiến hay không. “Càng nắm rõ cấu trúc của bộ phận, ca phẫu thuật sẽ càng thành công”, ông Zein bổ sung.

Mô hình nội tạng chân thật đến từng chi tiết
Khi xây dựng mô hình nội tạng 3D, việc lựa chọn vật liệu phụ thuộc vào các mục đích sử dụng khác nhau. Nhựa cứng có giá thành rẻ hơn sẽ phù hợp để mô phỏng hình dạng tổng thể đơn giản của các bộ phận, hình dạng của khối u hoặc đường cong của mạch máu, ống dẫn.
Các vật liệu xốp, linh hoạt như silicon, nhựa mềm hoặc mực in sinh học (Bioink) chứa các phân tử hydrogel lại giúp thể hiện các bộ phận chân thật hơn, được sử dụng để mô phỏng mạch máu, giúp bác sĩ có thể cắt mở, đo chiều rộng và độ sâu của các vết cắt cần thiết để loại bỏ khối u. 

 Tuyến tiền liệt in 3D được trang bị cảm biến áp suất
(Nguồn: K. QIU ET AL/ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU NÂNG CAO 2018)

Đặc biệt, các nhà khoa học còn cấy ghép vào mô hình các cảm biến áp lực (pressure sensors) có thể đo áp lực của kéo, giúp bác sĩ có được cảm giác chân thật nhất trong quá trình thao tác trên vật mẫu 3D, từ đó điều chỉnh thao tác sao cho phù hợp khi phẫu thuật chính thức. 

Nếu như Nizar Zein sử dụng mô hình gan nhân tạo để giảm thiểu rủi ro trong quá trình hiến tạng thì Ahmed Ghazi, một bác sĩ tiết niệu tại Đại học Rochester, Mỹ - lại bị thôi thúc bởi suy nghĩ làm thế nào để một mô hình nội tạng 3D có thể mô phỏng chân thực nhất quá trình phẫu thuật đến cả chi tiết máu chảy? 
Ông Ghazi nói: “Tôi muốn một cái gì đó trông giống như một quả thận đang chảy máu. Các bác sĩ phẫu thuật thận thường phải đối mặt với việc loại bỏ các khối u từ một quả thận chằng chịt các mạch máu, đôi khi họ chỉ có tối đa 30 phút để hoàn thành công việc trước khi các mô thận hoại tử do bị kẹp ngăn máu lưu thông trong quá trình mổ”.

Mực in sinh học Hydrogel được đổ vào khuôn để tạo mô hình thận nhân tạo với một khối u (Nguồn: ADAM FENSTER, TRƯỜNG ĐẠI HỌC ROCHESTER)

Ghazi và các đồng nghiệp đã sử dụng máy in 3D để tạo các khuôn thận kèm khối u trên bề mặt, sau đó bơm mực in sinh học hydrogel chuyên dụng vào các khuôn. Mực in sinh học hydrogel có thể bao gồm các loại tế bào sống và hóa chất khác nhau, sau khi in, các tế bào trong mô tổng hợp sẽ bắt đầu hoạt động giống như cách các tế bào thực hiện trong mô thực: truyền tín hiệu cho nhau, trao đổi chất dinh dưỡng và nhân lên. 
Ngoài ra, các nhà khoa học còn sử dụng mực in kết hợp dung dịch chất lỏng để mô phỏng máu chảy khi cắt các mạch máu hoặc các ống dẫn, giúp các bác sĩ có trải nghiệm phẫu thuật thực tế nhất.

Mô hình thận nhân tạo (phải) trong một ca mổ tập dượt loại bỏ khối u thận, được tạo từ công nghệ in 3D với chất liệu lỏng mô phỏng máu (Nguồn: AHMED GHAZI)

Có thể nói, công nghệ in 3D các cơ quan bên trong cơ thể có tiềm năng vô cùng to lớn để nâng cao hiểu biết của chúng ta về cách thức các cơ quan hoạt động và mở ra cánh cửa mới cho y học, đặc biệt hỗ trợ hiệu quả quá trình phẫu thuật, điều trị. Trong tương lai, công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá trong việc tạo ra các bộ phận nhân tạo có thể thay thế các cơ quan bị hỏng.

(Theo Knowable Magazine)

Tag: Công nghệ in 3D máy in 3D ứng dụng in 3D vào y tế giải pháp công nghệ mới