Tiến sĩ Việt chế tạo robot in 3D trực tiếp trong cơ thể

Các nhà khoa học Việt cùng cộng sự chế tạo cánh tay robot mềm linh hoạt siêu nhỏ có khả năng luồn trong cơ thể giống dụng cụ mổ nội soi và in trực tiếp vật liệu sinh học lên bề mặt nội tạng và mô.

Nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Robot y tế, Đại học New South Wales, Australia, do TS Đỗ Thanh Nhỏ, NCS Mai Thành Thái dẫn đầu và các cộng sự đã tạo cánh tay robot mềm có thể in 3D sinh học trực tiếp bên trong cơ thể (F3DB). Nghiên cứu công bố trên Advanced Science vào tháng 3.

Thiết bị F3DB được nhóm chế tạo có đầu in 3 trục có thể uốn cong, phần cuối cánh tay có một đầu xoay in 3D để "in" vật liệu sinh học thông qua đầu vòi nhỏ. Hệ thống tạo ra các chuyển động bằng cách sử dụng dòng chảy thủy lực được điều khiển từ bên ngoài. Nhờ kích thước nhỏ, F3DB có thể luồn vào cơ thể người giống thiết bị nội soi qua miệng, trực tràng và trực tiếp in 3D lên bề mặt nội tạng và mô. Tức là máy sẽ tạo ra các cấu trúc có tích hợp tế bào sống với hình dạng khác nhau (giống như mô) để cấy ghép bên trong cơ thể. Chúng có khả năng kết hợp tự nhiên với cơ thể con người, sử dụng để tái tạo các mô bị tổn thương của các bộ phận bên trong cơ thể như ruột, dạ dày, gan, thận, tim, phổi, thậm chí mạch máu.

Đến nay chưa có công nghệ in 3D nào trên thế giới có khả năng in trực tiếp vào bên trong cơ thể sống và được thiết kế như công cụ mổ nội soi đa năng. Hiện nhóm nghiên cứu đã nộp bằng phát minh sáng chế cho công nghệ này.

Thiết bị F3DB in 3D sinh học trên bề mặt nội tạng. (Ảnh: NVCC)

Chia sẻ với PV từ Australia, TS Đỗ Thanh Nhỏ, Giám đốc Phòng thí nghiệm Robot Y tế, cho biết dự án khởi động từ năm 2021, là kết quả sau nhiều nghiên cứu của anh và các cộng sự về công nghệ robot mềm dùng trong mổ nội soi và sử dụng in 3D tiên tiến. Anh gặp nhiều nhà nghiên cứu công nghệ vật liệu sinh học và hỏi họ làm thế nào để cấy ghép vật liệu 3D sinh học vào trong cơ thể và đa số nói là phải mổ hở. Nhưng quá trình này có nguy cơ nhiễm trùng và mất nhiều máu, điều này khiến anh trăn trở.

Anh giải thích, cấu trúc in 3D sinh học hiện nay được tạo ở bên ngoài cơ thể, chúng rất mềm và dễ vỡ trong quá trình cấy ghép vào bên trong cơ thể. Những vật liệu 3D sinh học có thể không phù hợp với bề mặt mô hoặc cơ quan nội tạng được cấy khiến tương tác giữa chúng và các mô bị tổn thương không được tối ưu. Đây là lý do nhóm của anh quyết tâm phát triển một thiết bị in trực tiếp vật liệu sinh học vào trong cơ thể song vẫn đảm bảo an toàn và tích hợp cao khi tiếp xúc.

Thách thức lớn nhất là phải tạo thiết bị robot nhỏ và linh hoạt nhưng vẫn có khả năng di chuyển đa hướng với các chức năng tương tự đầu 3D ở các thiết bị hiện tại. Ban đầu họ có ý tưởng dùng sợi dây cáp cứng thường dùng trong các hệ thống robot mổ hiện tại, song các sợi cáp này khó điều khiển do ma sát nhiều. Cùng lúc này nhóm đã phát triển thành công các sợi cơ nhân tạo siêu nhỏ và quyết định kết hợp thử nghiệm. Cuối cùng thiết bị F3DB ra đời, không chỉ in trực tiếp vào bên trong cơ thể mà còn có thể tận dụng được môi trường sống của cơ thể để tối ưu quá trình phát triển của tế bào sống tích hợp bên trong vật liệu sinh học. Thiết bị cũng được sử dụng như thiết bị mổ nộ soi đa năng để loại bỏ các khối u ung thư và làm sạch trước khi in sinh học trực tiếp lên vết thương giúp đẩy nhanh quá trình chữa lành.

Robot hỗ trợ in 3D vật liệu sinh học. (Video: Reuters).

Nhóm nghiên cứu thử nghiệm F3DB trong trực tràng nhân tạo và trên bề mặt thận lợn và tim lợn, sử dụng các vật liệu khác nhau (có cơ tính như vật liệu sinh học) như socola, gel tổng hợp... để in chính xác hình dạng mong muốn. Để chứng minh tính khả thi của công nghệ, nhóm cũng thử nghiệm với vật liệu sinh học tích hợp tế bào sống. Kết quả cho thấy tế bào sinh học không bị ảnh hưởng bởi quá trình in 3D, đa phần các tế bào vẫn sống và 7 ngày sau khi in số lượng mô tăng gấp 4 lần.

Hệ thống F3DB cũng có thể chuyển hướng sang các khu vực khác sau khi hoàn thành việc in ở một chỗ, điều này khiến các nhà nghiên cứu kỳ vọng robot có thể bao quát toàn bộ bề mặt rộng hơn của nội tạng (đại tràng, dạ dày, tim và bàng quang). Các bệnh nhân cần thay thế các bộ phận hoặc cơ quan nội tạng bị tổn thương, bệnh nhân ung thư, đặc biệt là ung thư đường tiêu hóa có thể hưởng lợi từ công nghệ này nhờ giá thành gia công F3DB thấp, có thể dùng một lần, tránh nhiễm trùng.

GS Nigel Lovell, trưởng khoa Trường Cao học Kỹ thuật y sinh, Giám đốc Viện Công nghệ sức khỏe Tyree IHealth cho hay, hiện chưa có thiết bị thương mại nào trên thị trường có thể in 3D sinh học trực tiếp trên các mô/tế bào bên trong cơ thể. Mặc dù một số công nghệ được thử nghiệm để điều trị bỏng trên bề mặt da, nhưng chúng khá cứng và khó sử dụng. "Công nghệ F3DB mới lạ, có thể tạo ra một cuộc cách mạng trong ngành in 3D sinh học và mổ nội soi", ông nói.

TS Đỗ Thanh Nhỏ chia sẻ về thiết bị robot mềm mới (soft robotic catheter) in 3D sinh học, có thể dùng trong tim mạch và não, luồn vào động mạch chủ, vào tim hoặc vào mạch máu não, cho người bị tai biến. (Ảnh: NVCC)

TS Đỗ Thanh Nhỏ (38 tuổi), sinh ra tại huyện Gò Dầu, tỉnh Tây Ninh, trong gia đình đều là nông dân. Năm 2004, anh theo học tại Khoa Cơ Khí thuộc Đại học Bách khoa TP HCM và được chọn vào lớp kỹ sư tài năng, chuyên ngành kỹ thuật chế tạo. Năm 2011, anh nhận học bổng toàn phần cho chương trình tiến sĩ, chuyên ngành robot mổ tại trường Kỹ thuật Cơ khí và Hàng không, thuộc ĐH Công Nghệ Nanyang, Singapore. TS Nhỏ làm nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại ĐH California tại Santa Barbara (UCSB), Mỹ. Anh gia nhập Đại học New South Wales, Sydney, Australia với vai trò giảng viên cao cấp (Scientia) và thành lập phòng thí nghiệm Robot y tế.

Năm 2022, TS Nhỏ nhận giải thưởng "Học giả nghiên cứu" của Google (Mỹ), dành cho các giáo sư trẻ xuất sắc trên thế giới làm về lĩnh vực tương tác của người và máy móc. Hướng nghiên cứu chính của anh về robot mổ nội soi ít xâm lấn cho tim mạch và ung thư đường tiêu hóa, in 3D sinh học, robot mềm, cơ nhân tạo, vải thông minh, thiết bị trợ tim, thiết bị nâng cao khả năng của con người và phục hồi chức năng cho người tàn tật, và các thiết bị tái tạo cảm xúc.