Tích hợp công nghệ để chế tạo mô và bộ phận nhân tạo

Thiết kế và sản xuất mô trong phòng thí nghiệm

TS Rohan A. Shirwaiker, phó giáo sư tại Edward P. Fitts, Khoa Kỹ thuật Hệ thống và Công nghiệp tại Bắc Carolina cho biết, thế giới hiện đạt được đỉnh cao trong lĩnh vực khoa học, có thể thiết kế và sản xuất mô và bộ phận cơ thể người trong phòng thí nghiệm.

Nhưng quy trình sản xuất này không đơn giản như trộn tế bào với các nguyên liệu thô khác trong một ống nghiệm. Các mô tự nhiên có cấu trúc hài hòa trên các phạm vi vĩ mô, vi mô và nano, cho phép những cấu trúc đa cấp có các đặc tính chức năng hỗ trợ những vai trò sinh lý và cơ sinh học mà các bộ phận thực hiện trong cơ thể con người.

Trong kỹ thuật mô sinh học và các cơ quan nội tạng thay thế, điều cần thiết là sử dụng những quy trình sản xuất có thể xây dựng lại chính xác tổ chức tự nhiên của tế bào và chất nền ngoại bào trong mô, có ý nghĩa quan trọng đối với chức năng của mô nhân tạo”, TS Parth Chansoria, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Trường Dược Eshelman tại UNC-Chapel Hill cho biết.

Khi quyết định phương thức sản xuất mô thay thế, trong những quy trình chế tạo sinh học hiện nay, mỗi quy trình đều có những ưu điểm và hạn chế về kỹ thuật, liên quan đến tính đơn giản trong sử dụng, tương thích sinh học, chi phí vận hành và sự linh hoạt, đòi hỏi phải được nghiên cứu cẩn thận.

Kỹ thuật chế tạo sinh học có thể kết hợp hai hoặc nhiều quy trình độc lập để bổ sung cho các điểm mạnh và triệt tiêu hạn chế​​​​​.​

Quy trình lai ghép

Trong một bản đánh giá gần đây, được xuất bản trên WIREs Nanomedicine & Nanobiotechnology, các nhà khoa học công bố kết quả nghiên cứu về thiết kế quy trình chế tạo sinh học kết hợp để chế tạo các mô, những tiến bộ gần đây liên quan đến những quy trình lai ghép, hình thành sợi và mô, sản xuất chất phụ trợ, sửa đổi bề mặt , trường từ xa và những nguyên tắc quan trọng khác.

Một ví dụ về phương pháp lai ghép là, các quy trình trên nền tảng trường từ xa, sử dụng các trường âm thanh như siêu âm hình thành điều kiện tạo mẫu và kích thích các tế bào, các quy trình như in đùn sinh học 3D có khả năng tạo ra những cấu trúc phù hợp với bệnh nhân do khả năng phân bổ xắp xếp vật liệu tuyệt vời.

Những quy trình này sẽ phối hợp hài hòa khi được tích hợp trong quy trình mới, in sinh học có sự hỗ trợ của siêu âm là giải pháp chiến lược hiệu quả tạo ra các mô phức tạp như sụn chêm đầu gối, nơi hình dạng vĩ mô và tổ chức độc đáo bên trong tế bào cùng những thành phần ngoại bào có ý nghĩa vô cùng quan trọng đối với chức năng hoạt động.

Một giải pháp hiệu quả là sử dụng cơ chế lập chỉ mục tương tự như cơ chế được sử dụng trong máy CNC hoặc hệ thống giàn robot mô phỏng như nhiều máy in 3D, triển khai nhiều quy trình đúc sinh học đồng thời hoặc tuần tự theo phần mềm. Việc đồng bộ hóa các hoạt động của những quy trình lai ghép có thể được kiểm soát bằng phần mềm tùy chỉnh hoặc mã nguồn mở.

Những nghiên cứu sâu về cơ sở dữ liệu, thông tin sinh học, máy học và trí tuệ nhân tạo liên quan đến những quy trình lai ghép sẽ mở ra cơ hội để tối ưu hóa các dự án thiết kế và sản xuất cho những ứng dụng cụ thể.

Việc phát triển và tương thích thành công những công nghệ liên kết hỗ trợ này trong kỹ thuật mô có thể phát triển thành các hệ thống thông minh, xác định được những công thức vật liệu lai ghép tối ưu và những chiến lược xử lý lai ghép để tạo ra cấu trúc mô sinh học nhân tạo phù hợp.

Những tiến bộ của tập hợp nhiều công nghệ như vậy sẽ thúc đẩy y sinh chế tạo thành công các mô và cơ quan “sống” thay thế ưu việt, được sử dụng chữa trị bệnh nhân thay vì các bộ phận hiến tặng và những thiết bị kim loại và nhựa.