Công nghệ 3D

Thế giới khoa học viễn tưởng của các cơ quan in 3D

Thế giới khoa học viễn tưởng của các cơ quan in 3D

Quay lại nó một lần nữa với in 3D. Như chúng tôi đã đề cập trong các bài viết trước về sản xuất phụ gia, in 3D sẽ tiếp tục tác động đến mọi ngành công nghiệp chính trên thế giới bao gồm cả chăm sóc sức khỏe. Chúng tôi đã thấy cách in 3D có thể mang lại lợi ích cho ngành chăm sóc sức khỏe với đại dịch coronavirus gần đây.

Các công ty in 3D hàng đầu như Carbon, Prusa Research và Formlabs đang in khiên che mặt, khẩu trang và các công cụ quan trọng của bệnh viện cho các chuyên gia chăm sóc sức khỏe. Cộng đồng in 3D nói chung đã làm việc chăm chỉ để giảm bớt áp lực lên chuỗi cung ứng và chính phủ.

In 3D hứa hẹn thay đổi ngành công nghiệp chăm sóc sức khỏe để cung cấp cho bệnh nhân những thứ tốt hơn như thuốc thông minh hơn và bộ phận giả siêu tùy chỉnh. Tuy nhiên, giống như điều gì đó trong bộ phim Dark Man năm 1990, việc các bác sĩ in nội tạng để điều trị cho bệnh nhân có thể trở nên phổ biến. Trong thực tế, nó đã xảy ra. Các nhà nghiên cứu từ các trường đại học hàng đầu khác nhau đã in 3D các cơ quan chức năng chính của con người. Hiện nay, trên khắp thế giới, và đặc biệt là ở Hoa Kỳ, tình trạng thiếu nội tạng đang là mối quan tâm lớn về sức khỏe ngày càng tăng.

Các cơ quan được in 3D có thể cứu mạng con người

Do nhu cầu lớn về nội tạng, người ta ước tính rằng900,000 Các ca tử vong hàng năm có thể được ngăn ngừa bằng cách sử dụng các cơ quan đã được chỉnh sửa. Hiện nay, ở Hoa Kỳ, có 113,000 nam giới, phụ nữ và trẻ em trong danh sách chờ ghép tạng quốc gia tính đến tháng 7 năm 2019. Đáng buồn thay, trung bình,20 người chết mỗi ngày chờ ghép, trong khi cứ sau 10 phút lại có thêm một người mới vào danh sách chờ. Nội tạng in 3D là một giải pháp khả thi. Thậm chí hơn thế nữa, những cơ quan được chế tạo này còn vượt xa những lợi ích thực tế của nó vì những cơ quan được chế tạo mới này rất tiết kiệm chi phí.

Ví dụ, theo National Foundation for Transplants, một ca ghép thận tiêu chuẩn có thể có chi phí trung bình lên đến $300,000, trong khi máy in sinh học 3D, máy in được sử dụng để tạo ra các cơ quan in 3D, có thể có chi phí thấp như $10,000 với chi phí dự kiến ​​sẽ giảm khi công nghệ phát triển trong vài năm tới. Các chuyên gia y tế và các nhà nghiên cứu rất vui mừng về thời đại sắp tới của các cơ quan in 3D.

Hôm nay chúng ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về hàm ý của in sinh học 3D, những thách thức, lợi ích và các vấn đề tiềm ẩn của sản phẩm mới mang tính cách mạng này. Trong vài năm tới, nhu cầu về in sinh học dự kiến ​​sẽ tăng lên.

Những điều cơ bản: 3D Bioprinting là gì?

Bạn có thể nghe thấy quy trình của các cơ quan được in 3D được mô tả là in sinh học 3D, với các sản phẩm cuối cùng (các cơ quan) được gọi là các cơ quan đã được thiết kế. Nói tóm lại, quy trình in Bioprinting tương tự như nhiều quy trình sản xuất phụ gia mà bạn đã quen thuộc. Tuy nhiên, trong trường hợp này là sản xuất phụ gia, quy trình liên quan đến việc kết hợp các tế bào và các yếu tố tăng trưởng để tạo ra cấu trúc giống mô và cuối cùng là các cơ quan. Hãy nghĩ đến máy in FDM tiêu chuẩn của bạn. Rất có thể, bạn đang có một cái trên máy tính để bàn của mình hoặc đã thấy một cái đang hoạt động. Quá trình này rất giống nhau.

Khi bạn muốn in 3D thứ gì đó, điều đầu tiên bạn phải làm là tạo một mô hình kỹ thuật số, mô hình này sau đó sẽ được in thành một vật thể 3D vật lý bằng cách sử dụng nhựa nhiệt dẻo, từng lớp một. Chế độ in sinh học hoạt động tương tự, với việc các nhà nghiên cứu tạo ra một mô hình mô mà họ muốn tạo ra, sau đó là quá trình in là lớp đối tượng cuối cùng theo từng lớp. Tuy nhiên, vì máy in đang sử dụng các tế bào vô trùng, độ phân giải của bản in (chiều cao lớp) và cấu trúc ma trận cần phải được chuẩn bị thích hợp cho bản in.

Chia nhỏ hơn nữa, gần giống với quá trình in SLA trước và sau khi sản xuất, có các bước cụ thể mà các nhà nghiên cứu thực hiện để đảm bảo rằng nội tạng được in đúng cách. Đầu tiên và quan trọng nhất, trong giai đoạn tiền sản xuất, các chuyên gia y tế tạo ra mô hình kỹ thuật số cho bản in của họ bằng cách sử dụng các công nghệ như quét cắt lớp vi tính và quét hình ảnh cộng hưởng từ. Máy in sau đó được chuẩn bị và khử trùng trước khi in như một phương tiện để tối ưu hóa khả năng tồn tại của tế bào.

Tiếp theo, mô hình được gửi đến máy in. Thay vì sử dụng nhựa nhiệt dẻo, các nhà nghiên cứu sử dụng liên kết sinh học để in cấu trúc của chúng. Mực Bioink được ép đùn từng lớp với độ dày trung bình khoảng 0,5 mm trở xuống. Tuy nhiên, giống như một dây tóc, liên kết sinh học được đặt trong hộp mực máy in và được sử dụng để tạo ra mô hình 3D vật lý. Cuối cùng, trong giai đoạn hậu kỳ, sau khi hoàn thành bản in, các nhà nghiên cứu sẽ kích thích bộ phận một cách cơ học và hóa học để đảm bảo tạo ra các cấu trúc ổn định. Quá trình đông đặc cơ quan thường được hỗ trợ bởi tia cực tím, hóa chất cụ thể, hoặc thậm chí đôi khi nhiệt.

Bioink là "sợi" được sử dụng trong máy in sinh học

Như đã đề cập ở trên, Bioink được sử dụng để tạo ra các mô nhân tạo được mô phỏng trong quá trình in sinh học 3D. Nhiều đặc tính khác nhau làm cho Bioink trở nên hoàn hảo duy nhất cho các nhiệm vụ chính xác trong tầm tay. Khi kiểm tra kỹ hơn, bạn sẽ nhận ra rằng liên kết sinh học này được tạo thành từ các tế bào và chất mang, thường là gel tạo màng sinh học.

Mặc dù liên kết sinh học hoàn toàn có thể được tạo ra từ các tế bào, nhưng gel biopolyme này cần thiết để giữ các tế bào tại chỗ, cho phép chúng phát triển, lan rộng và thậm chí nhân lên, bảo vệ các tế bào trong quá trình in 3D. Nếu không có gel biopolymer này, quá trình in 3D mô sẽ khó khăn hơn nhiều.

Khi được in bằng máy in FDM, đầu phun được sử dụng cho quá trình in được làm nóng đến nhiệt độ cao để làm chảy nhựa và tạo ra bộ phận như ý. Khi sử dụng máy in sinh học 3D, quy trình này cũng giống như vậy và một lần nữa làm nổi bật tầm quan trọng của polyme. Khi liên kết sinh học đi qua vòi phun của máy in, nhiệt không được "nấu" tế bào.

Gel biopolymer giúp các tế bào không bị quá nóng trong quá trình in. Thậm chí, trong cùng một quá trình này, các đặc tính đàn hồi của gel giúp ngăn ngừa các tế bào bị hư hại trong quá trình đùn ra khỏi đầu phun trong quá trình in.

Bây giờ, nếu bạn đang tự hỏi bạn có thể tìm thấy điều gì khác trong món súp tế bào nhỏ của liên kết sinh học, thì hôm nay bạn là người may mắn. Như đã nêu bởi nhóm tại All3DP, "... liên kết sinh học dựa trên sự kết hợp của một số polyme để đạt được một số loại trung gian nơi các hạn chế về hóa học, vật lý và sinh học được tôn trọng." Thông thường, Bioink có thể bao gồm bất cứ thứ gì từ axit hyaluronic đến collagen, alginate, cellulose và thậm chí cả lụa.

Mọi người đã in 3D nội tạng chưa?

Câu trả lời ngắn gọn, có. Trở lại năm 2017, một nhóm kỹ sư từ Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang đã phát triển và in 3D thứ mà họ gọi là “mạch máu sinh học” bằng cách sử dụng các vật liệu từ cơ thể người làm mẫu cho quy trình. Mạch máu hoạt động tốt mà không có vấn đề gì. Trong khi các nhà nghiên cứu từ Đại học Harvard, chỉ một năm trước đó đã phát triển một loại liên kết sinh học mới dành riêng cho thận, cho phép nhóm các nhà nghiên cứu tạo ra các bộ phận chức năng quan trọng của thận.

Trong khi một nhóm từ công ty khởi nghiệp in sinh học Organovo, ở San Diego, đã tiếp tục chứng minh rằng họ có thể in các bản vá lỗi gan người và cấy chúng vào chuột. Tuy nhiên, mục tiêu của đội Organovo không dừng lại ở đó. Như đã đề cập trên trang web của họ, “Chúng tôi đang đi tiên phong trong một tập hợp các khả năng điều trị và lập hồ sơ thuốc độc đáo dựa trên khả năng mang tính cách mạng của chúng tôi để mô phỏng sinh học 3D sd mô phỏng các khía cạnh chính của sinh học và bệnh tật của con người. Chúng tôi đang cố gắng thay đổi bộ mặt của y học thông qua việc phát triển lâm sàng các liệu pháp y học tái tạo để điều trị bệnh và bằng cách cho phép khám phá thuốc chuyển dịch. ”

Các thử nghiệm cấy ghép gan trên người có thể bắt đầu sớm nhất là trong năm nay. Ý tưởng in sinh học các bộ phận cơ thể người không còn là một ý tưởng khoa học viễn tưởng xa vời nữa. Các nhà nghiên cứu từ các công ty tư nhân và các trường đại học hàng đầu đã in tai, phổi, và thậm chí cả trái tim.

Công nghệ in sinh học còn lâu mới hoàn hảo

Đúng vậy, đã có nhiều nỗ lực thành công trong việc tạo ra các mô và cơ quan được thiết kế. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn còn nhiều cách để phát triển trước khi nó hoàn toàn thích nghi ở các bệnh viện gần bạn. Có một số rào cản rõ ràng chúng ta cần phải vượt qua.

Đầu tiên, quá trình in sinh học cần phải trở nên nhanh hơn cũng như có thể tạo ra các mô ở độ phân giải cao hơn. Có thể in 3D một cơ quan trong vài giờ hoặc vài phút có thể làm cho in sinh học 3D hấp dẫn hơn nhiều về mặt thương mại. Mặc dù độ phân giải cao hơn sẽ cho phép tương tác và kiểm soát tốt hơn trong vi môi trường 3D.

Thứ hai, chúng ta cần nhiều vật liệu sinh học hơn. Hiện tại, nó giống như in chỉ với một vài sợi nhỏ. Cũng giống như với máy in FDM hoặc thậm chí SLA, bạn sử dụng các vật liệu in khác nhau để giải quyết các công việc khác nhau.

Điều tương tự cũng xảy ra với thế giới liên kết sinh học và các loại phương pháp điều trị mô y tế phức tạp và đa dạng mà con người có thể cần. Tuy nhiên, công nghệ này rất thú vị và như đã đề cập ở trên, có thể cứu sống hàng triệu người trong thời gian ngắn. Cạnh tranh ngày càng tăng trong khu vực tư nhân có thể giúp tạo ra sự đổi mới nhanh chóng cần thiết để làm cho việc in 3D trở nên khả thi.

Bạn nghĩ gì về thế giới in sinh học 3D? Liệu công nghệ này có cách mạng hóa ngành công nghiệp chăm sóc sức khỏe?


Xem video: Nếu Các Hành Tinh Biến Thành Mặt Trăng Của Chúng Ta Thì Sao? (Tháng Sáu 2021).