Khái niệm kỹ thuật in 3D đã trở nên phổ biến kể từ khi nó xuất hiện lần đầu tiên. Hiện nay, nó không chỉ nhận được sự quan tâm rộng rãi trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học mà còn bắt đầu hình thành trong lĩnh vực công nghiệp. Hiện nay, công nghệ in 3D đã có nhiều ứng dụng cụ thể trong các ngành sản xuất như ô tô, hàng không vũ trụ và quân sự, cũng như trong nhiều ngành công nghiệp như chăm sóc y tế, sáng tạo văn hóa và giáo dục. Vật liệu đúc về cơ bản là kim loại hoặc phi kim loại, chủ yếu ở dạng bột, dạng dây và dạng lỏng.
Khi công nghệ in 3D và thị trường ngày càng phát triển, mối giao thoa của nó với đồ họa máy tính, robot, khoa học sự sống, khoa học vật liệu và các lĩnh vực khác ngày càng mở rộng, mức độ tích hợp đa ngành cũng dần được tăng cường, điều này cũng mang lại cho in 3D nhiều khả năng phong phú hơn và triển vọng phát triển rộng lớn hơn. In sinh học 3D phát triển từ quy trình sản xuất bồi đắp của in 3D, trong đó tạo ra vật liệu theo từng lớp và cuối cùng tạo thành sản phẩm. Nó có thể tạo ra các cấu trúc mô 3D có độ phức tạp tương tự và có thể được kiểm soát chính xác.
Chìa khóa của công nghệ này nằm ở vật liệu in và nó cũng thừa hưởng những yêu cầu cao của công nghệ in 3D đối với vật liệu. Không còn là kim loại hay phi kim loại như trước nữa, vật liệu được sử dụng trong in sinh học 3D chứa các tế bào sống và vật liệu sinh học, thường được gọi là "mực sinh học".
Là vật liệu in, mực sinh học trước tiên phải có hoạt tính sinh học tốt, tương tự như ma trận ngoại bào trong cơ thể, để các tế bào có thể phát triển thêm và thiết lập kết nối tế bào với tế bào sau khi in. Thứ hai, yêu cầu phải có khả năng định hình tốt, độ chảy tốt trong quá trình in và có khả năng đông đặc nhanh sau khi in.
Hiện nay, đã có một số tiến bộ trong việc sử dụng kỹ thuật vi sinh để sản xuất vật liệu cho nhiều ứng dụng khác nhau, nhưng việc xây dựng các cấu trúc ba chiều theo các mẫu và hình dạng tùy ý luôn là một thách thức lớn.
Gần đây, sinh viên từ Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng John A. Paulson của Đại học Harvard, Viện Kỹ thuật lấy cảm hứng từ sinh học Wyss, Trường Y và Trường Kỹ thuật, và Khoa Hóa học và Sinh học Hóa học của Đại học Northeastern đã hoàn thành một nghiên cứu về mực sinh học. Nghiên cứu của họ kết hợp công nghệ nano sinh học tiên tiến với công nghệ vật liệu hoạt tính, mở ra không gian mới cho việc sản xuất "sinh vật sống" có chức năng bằng công nghệ in sinh học 3D. Nghiên cứu này cũng được công bố trên tạp chí Nature Communications, một chi nhánh của tạp chí Nature.
Tận dụng khả năng lập trình di truyền của vi sinh vật
Tế bào sống có khả năng tổng hợp các thành phần phân tử và lắp ráp chúng chính xác ở cấp độ nano, do đó xây dựng các cấu trúc chức năng sống ở cấp độ vĩ mô trong các điều kiện môi trường thích hợp.
Anna và Avinash từ Đại học Harvard đã dẫn đầu nhóm nghiên cứu của mình để phát triển một vật liệu in mà họ gọi là "mực vi khuẩn".
Nó được tạo thành hoàn toàn từ các tế bào vi khuẩn biến đổi gen và được lập trình để cho phép các monome protein tự lắp ráp thành các sợi nano theo cách phân cấp từ dưới lên và hình thành nên mạng lưới sợi nano bao gồm một hydrogel có thể đùn. Bằng cách nhúng các tế bào Escherichia coli (E. coli) và sợi nano được biến đổi gen vào mực vi khuẩn, các nhà nghiên cứu đã chứng minh thêm công nghệ in 3D của vật liệu sinh học chức năng; công nghệ này có thể cô lập hiệu quả các thành phần độc hại, giải phóng các tác nhân sinh học và điều chỉnh sự phát triển của chính tế bào thông qua quá trình cảm ứng hóa học thông qua vật liệu di truyền được thiết kế hợp lý.
Trên thực tế, trong bối cảnh kỹ thuật mô, in sinh học 3D là công nghệ tương đối hoàn thiện để in tế bào động vật có vú và gần đây đã được sử dụng để in tế bào vi khuẩn cần thiết trong lĩnh vực công nghệ sinh học và y sinh học. Tuy nhiên, so với công nghệ in sinh học dựa trên phương pháp đùn, các công nghệ đã được khám phá hiện nay, chẳng hạn như in phun, in tiếp xúc, in lưới và in thạch bản, vẫn còn kém hơn một chút về khả năng tương thích và hiệu quả về chi phí. Do đó, có nhiều phương pháp và con đường nghiên cứu theo khái niệm này và nhiều loại mực sinh học đã được khám phá.
Nhưng cho đến nay, vẫn chưa có ai khai thác hoàn toàn khả năng lập trình di truyền của vi sinh vật để kiểm soát hợp lý các tính chất cơ học của mực sinh học.
Các nhà nghiên cứu tin rằng vì nhiều lý do, ý tưởng này sẽ giúp thúc đẩy các hoạt động sản xuất bền vững, sản xuất nguyên liệu thô trong môi trường nghèo tài nguyên (như một số vùng đất cằn cỗi hoặc vũ trụ ngoài hành tinh) và nâng cao hiệu suất của vật liệu thông qua độ chính xác của thiết kế mô phỏng sinh học và kỹ thuật di truyền. Đây là mục đích ban đầu của Anna và Avinash khi thực hiện dự án nghiên cứu này.
Tầm nhìn của họ về mục tiêu cuối cùng được chia thành ba giai đoạn. Đầu tiên là thiết kế một loại mực sinh học có thể đùn được với độ trung thực khi in cao; sau đó sản xuất loại mực sinh học này hoàn toàn từ các vi sinh vật được thiết kế theo phương pháp "từ dưới lên"; và cuối cùng, tạo ra một nền tảng có thể lập trình để đạt được các chức năng tiên tiến của các cấu trúc sống được in 3D ở cấp độ lớn hơn và vĩ mô hơn, qua đó đưa lĩnh vực vật liệu sống mới nổi vào một đại dương xanh công nghệ biên giới chưa được khai thác.
Sử dụng kỹ thuật di truyền
Trong nghiên cứu này, họ đã tạo ra mực vi khuẩn được làm hoàn toàn từ màng sinh học Escherichia coli được biến đổi gen. Trong bài báo của mình, họ trình bày chi tiết các đặc điểm cụ thể của loại mực vi khuẩn này, chứng minh tính toàn vẹn về cấu trúc và hình dạng của nó.
Tác động lâu dài hơn là bằng cách nhúng các tế bào Escherichia coli biến đổi gen vào mực vi khuẩn, họ đã chứng minh được khả năng in 3D nhiều loại mực sinh học tiềm năng, chẳng hạn như vật liệu sinh học trị liệu, vật liệu sinh học cô lập và vật liệu sinh học có thể điều chỉnh.
Hình ảnh | Sơ đồ chiến lược thiết kế, sản xuất và ứng dụng chức năng của mực vi sinh (Nguồn: Nature Communications)
Trong phần a của hình, các nhà nghiên cứu đã biến đổi gen vi khuẩn Escherichia coli để sản xuất mực vi khuẩn bằng cách kết hợp miền protein α (núm) và γ (lỗ) có nguồn gốc từ fibrin với CsgA, thành phần cấu trúc chính của các sợi nano xoăn.
Sau khi tiết ra, các monome CsgA-α và CsgA-γ tự lắp ráp thành các sợi nano liên kết chéo thông qua tương tác liên kết lỗ hình cầu. b cho thấy các miền núm và lỗ có nguồn gốc từ fibrin và đóng vai trò quan trọng trong quá trình trùng hợp siêu phân tử của quá trình hình thành cục máu đông. Hình c cho thấy toàn bộ quy trình sản xuất mực vi sinh từ sợi nano protein được thiết kế bao gồm nuôi cấy vi khuẩn tiêu chuẩn, các bước xử lý hạn chế và không cần thêm polyme ngoại sinh. Cuối cùng, mực vi khuẩn được in 3D để thu được vật liệu sinh học có chức năng.
Ý tưởng cho thiết kế này dựa trên công trình trước đó của nhóm nghiên cứu, trong đó Anna và Avinash đã chứng minh rằng các sợi nano protein curli tự nhiên của ma trận ngoại bào (ECM) của màng sinh học Escherichia coli có thể được biến đổi gen bằng cách kết hợp các peptide/protein chức năng với các monome curli CsgA để tạo ra các hydrogel mỏng. Đồng thời, để tạo ra loại mực sinh học có độ nhớt đàn hồi lý tưởng, họ đã giới thiệu một chiến lược liên kết chéo được biến đổi gen lấy cảm hứng từ fibrin (thể hiện trong Hình b ở trên).
Mực vi sinh được chuẩn bị trong nghiên cứu này được thiết kế bằng cách tái sử dụng tương tác liên kết giữa các mô-đun alpha và gamma, cụ thể là tương tác "nút-lỗ", và đưa vào các liên kết chéo không cộng hóa trị giữa các sợi nano để tăng cường độ bền cơ học trong khi vẫn duy trì các đặc tính làm mỏng theo lực cắt. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu cho biết điều đáng chú ý là các sợi được hình thành do quá trình tự lắp ráp của CsgA có độ ổn định cao và có thể chống lại nhiều ưu điểm như phân giải protein, biến tính do chất tẩy rửa và nhiệt.
Công cụ mới cho sinh học tổng hợp
Mực sinh học có thể in cần có độ nhớt đủ thấp để dễ đùn, nhưng vẫn đủ bền để giữ nguyên hình dạng sau khi in.
Thành tựu này đã thúc đẩy đáng kể sự phát triển của mực sinh học tiên tiến với độ bền cơ học có thể điều chỉnh, khả năng sống của tế bào cao và độ trung thực khi in cao trong lĩnh vực công nghệ in sinh học 3D và mở rộng tư duy nghiên cứu.
Theo quan điểm của họ, trong tương lai, bằng cách sử dụng "bộ công cụ" ngày càng phát triển của các bộ phận sinh học do các nhà sinh học tổng hợp phát triển, mực vi sinh có thể được tùy chỉnh thêm cho nhiều ứng dụng công nghệ sinh học và y sinh khác nhau. Các loại mực sinh học vi khuẩn do viện này chế tạo có thể đặc biệt quan trọng khi kết hợp với các công nghệ vật liệu khác, chẳng hạn như công nghệ kết hợp tế bào sống vào vật liệu xây dựng kết cấu.
Ngoài ra, nó còn có thể hỗ trợ việc xây dựng các công trình trong môi trường sống của con người ở những môi trường khắc nghiệt như ngoài không gian; vì việc vận chuyển nguyên liệu thô trong những môi trường như vậy cực kỳ khó khăn nên phải cân nhắc đến việc tạo ra vật liệu xây dựng theo nhu cầu từ những nguồn tài nguyên rất hạn chế.
Nhìn chung, công nghệ in sinh học 3D vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển ban đầu. Mực sinh học, là vật liệu chủ chốt trong công nghệ in 3D sinh học, cũng là trọng tâm nghiên cứu trong lĩnh vực này.
Về ứng dụng thị trường, vẫn còn quá sớm để nói về quy mô và khả năng thương mại hóa các công nghệ này. Tuy nhiên, lĩnh vực nghiên cứu này có tiềm năng phát triển lớn trong tương lai và có thể bao gồm nhiều ứng dụng, bao gồm các thiết bị y tế cá nhân hóa, phát triển vật liệu sinh học mới, khung ba chiều và nuôi cấy tế bào ba chiều, y học tái tạo, xây dựng các cấu trúc sinh học đa bào và vật liệu xây dựng mà các nhà nghiên cứu trong bài báo hình dung.
Có thể nói, công nghệ in 3D sinh học đang phát triển với tốc độ rất nhanh và mang lại lợi ích to lớn cho nhiều lĩnh vực như phẫu thuật và y học tái tạo. Trong tương lai, chúng ta hãy kỳ vọng nhiều công nghệ hơn nữa sẽ xuất hiện trong lĩnh vực này để có thể cải thiện xã hội loài người và chuyển đổi các ngành công nghiệp liên quan.
Tài liệu tham khảo:
https://www.rs-online.com/designspark/home
https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2017/12/3d-printed-minifactories.html
https://www.sciencedaily.com/releases/2017/12/171201181555.htm
Tác giả: Dương Kỳ
Biên tập: HS
Bố cục: Lý Tuyết Vi
