Tàu vận tải Dragon CRS-34 của SpaceX vừa tách khỏi Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) ngày 16/6, mang theo hàng nghìn cân hàng hóa nghiên cứu, trong đó nổi bật là các mẫu mô cơ quan và sụn được in sinh học 3D trong không trọng lực. Nhưng tại sao phải bay lên vũ trụ chỉ để in mô sống, và công nghệ này hoạt động ra sao?

Bio-ink: mực in làm từ tế bào sống

In sinh học 3D (bioprinting) hoạt động theo nguyên lý giống in 3D thông thường, chỉ khác ở nguyên liệu. Thay vì nhựa hay bột kim loại, máy in sử dụng "bio-ink", hỗn hợp gồm tế bào sống trộn với hydrogel, một loại polymer giữ nước có độ nhớt phù hợp để phun qua đầu kim. Bio-ink được nạp vào đầu in, sau đó phun ra theo từng lớp mỏng dựa trên bản thiết kế 3D của mô cần tạo. Mỗi lớp dày khoảng 200-400 micromet, tương đương vài sợi tóc. Sau khi in, tế bào trong mỗi lớp bắt đầu liên kết với nhau thông qua các protein bề mặt, dần dần hình thành mô có chức năng sinh học.

Trọng lực: kẻ thù số một của mô mềm

Trên Trái Đất, in sinh học gặp một rào cản cơ bản mà không phần mềm hay thuật toán nào giải quyết được. Mô mềm như gan, thận hay mạch máu không có bộ khung cứng như xương. Khi in xong vài lớp đầu tiên, trọng lực kéo cấu trúc sụp xuống trước khi tế bào kịp liên kết với nhau. Hãy tưởng tượng bạn xếp thạch rau câu thành tháp cao 10 tầng: tầng dưới bị đè bẹp ngay lập tức. Để khắc phục, các nhà nghiên cứu dùng khung đỡ (scaffold) tạm thời hoặc in trong bể gel đặc biệt, nhưng cả hai đều có nhược điểm. Khung đỡ cản trở mạch máu hình thành bên trong mô, còn gel tạo bề mặt kém đồng nhất, ảnh hưởng đến chất lượng mẫu.

Không trọng lực: lời giải từ quỹ đạo

Trong môi trường vi trọng lực trên ISS, bài toán thay đổi hoàn toàn. Không có lực kéo xuống, mỗi lớp bio-ink giữ nguyên vị trí sau khi phun, cho phép in trực tiếp mà không cần khung đỡ. Các nhà khoa học gọi đây là "in sinh học không khung đỡ" (scaffold-free bioprinting). Thiết bị BioFabrication Facility (BFF) trên ISS sử dụng phương pháp đùn (extrusion-based): đầu in di chuyển theo ba trục, đẩy bio-ink qua kim phun với áp suất kiểm soát chính xác đến từng microlit. Kết quả là mô có mật độ tế bào đồng đều hơn đáng kể, ít khuyết tật hơn, và quan trọng nhất là có thể hình thành cấu trúc rỗng phức tạp giống mạch máu thật.

Từ tuyến giáp chuột đến sụn người

Năm 2019, nhóm 3D Bioprinting Solutions (Nga) in thành công tuyến giáp chuột bằng máy in từ trường trên ISS, đánh dấu lần đầu tiên một cơ quan chức năng được tạo ra ngoài Trái Đất. Gần đây hơn, các nhóm nghiên cứu Mỹ in sụn chêm (meniscus) và mô cơ với kết quả vượt trội so với mẫu đối chứng dưới mặt đất. Lô mẫu mô cơ quan và sụn trên Dragon CRS-34 sẽ hạ cánh ngoài khơi California ngày 17/6 và được chuyển ngay đến phòng thí nghiệm để phân tích.

Đích đến: cơ quan thay thế không cần người hiến

Mục tiêu dài hạn của in sinh học vũ trụ là tạo ra cơ quan có mạch máu hoàn chỉnh (vascularized organs) từ chính tế bào của bệnh nhân, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ thải ghép. Con đường còn dài: hiện tại các mẫu chỉ dày vài milimet, trong khi một quả thận người dày 5-6 centimet. Nhưng mỗi chuyến Dragon mang mẫu về lại rút ngắn khoảng cách giữa phòng thí nghiệm quỹ đạo và phòng mổ bệnh viện.