Khi cơ thể của chúng ta chịu bất kỳ sự tổn thương nào từ bên trong tới bên ngoài, từ mô và tế bào thì tủy xương của chúng ta sẽ sản sinh ra tế bào gốc vào hệ tuần hoàn máu của cơ thể. Các tế bào gốc này trôi theo dòng máu và đi tới các cơ quan bị tổn thương, tiết ra protein kích thích phát triển để chữa mô bị tổn thương. Tế bào gốc là nguyên liệu để sửa chữa các bộ khung bị tổn thương trong cơ thể hay cung cấp tế bào mới để chữa bệnh cho tế bào bị hủy hoại. Và tế bào gốc cũng chính là nguyên liệu trong máy in các bộ phận người
In 3D sinh học là lĩnh vực nghiên cứu khoa học tự nhiên và khoa học xã hội liên ngành tổng hợp. Các nhà khoa học phải giao tiếp với các kỹ sư nghiên cứu và chế tạo, các kỹ sư phải giao tiếp và hợp tác với các chuyên gia sinh học, và các chuyên gia sinh học phải hợp tác và giao tiếp với các bác sĩ lâm sàng. Chỉ nhờ sự hợp tác hiệu quả của mỗi chuyên gia trong từng lĩnh vực, cùng với các kỹ năng trong số họ thì chúng ta sẽ nhận ra tiềm năng đích thực cho lĩnh vực in 3D tổng hợp trong nghành y tế.
Tế bào gốc là các tế bào sinh học có khả năng biệt hoá thành các tế bào khác, từ đó phân bào để tạo ra nhiều tế bào gốc hơn.
Cơ thể con người có rất nhiều loại tế bào cần thiết cho sức khoẻ hàng ngày. Những tế bào này giúp cho cơ thể hoạt động bình thường, bao gồm nhịp đập của tim, suy nghĩ của não, thận làm sạch máu, và sự thay đổi tế bào mới cho da…Chức năng đặc biệt cuả tế bào gốc là tạo ra toàn bộ những loại tế bào khác trong cơ thể.
Ví dụ, tế bào gốc của da có thể làm ra thêm những tế bào gốc mới của da, hoặc tạo ra những tế bào với những chức năng đặc biệt, như là giúp cho sắc tố cuả da.
Ở động vật có vú, có hai loại tế bào gốc: tế bào gốc phôi (Embryonic stem cell), được phân lập từ trong của phôi nang giai đoạn sớm, và tế bào gốc trưởng thành (Adult stem cell). Nhưng các nhà khoa học phấn khởi với tế bào gốc phôi
Trong các sinh vật trưởng thành, tế bào gốc và các tế bào tiền thân đóng vai trò như một hệ thống sửa chữa cho cơ thể, chúng thay thế và bổ sung các tế bào lão hoá hoặc bị hư hại ở người trưởng thành. Trong phôi đang phát triển, tế bào gốc có thể biệt hoá thành các tế bào chuyên biệt - ngoại bì, nội bì và nội mạc tử cung nhưng cũng duy trì số lượng tế bào của các cơ quan tái tạo, chẳng hạn như máu, da, hoặc các mô ruột. Và tế bào gốc phôi tạo ra toàn bộ những cơ quan cuả cơ thể con người trong lúc phát triển. Ngoài ra, tế bào gốc phôi đã được lập trình chức năng tạo ra mô và cơ quan con người, trong khi tế bào gốc trưởng thành bị hạn chế trong việc biệt hóa phong phú tế bào.
Ở người, có ba nguồn lấy tế bào gốc trưởng thành:
- Tủy xương, được lấy từ phương thức khoan vào xương (điển hình là xương đùi hay xương chậu).
- Mô mỡ (gồm các tế bào mỡ) được lấy bằng phương pháp hút mỡ, là nguồn cung cấp tế bào gốc tốt nhất từ người trưởng thành.
- Máu, trong đó máu được rút ra từ người hiến tặng (tương tự như hiến máu), đi qua máy tách chiết các tế bào gốc và trả lại các phần khác của máu cho người hiến.
Vào năm 2007, hai nhân vật Shinya Yamanaka (bên trái) từ Nhật Bản và Jamie Thompson (bên phải) từ Mỹ, đã có một phát minh rất quan trọng là việc họ đã phát hiện ra rằng, tế bào người trưởng thành có thế được lập trình lại để thành giống như tế bào phôi, họ gọi chúng là tế bào iPSCs viết tắt của Induced Pluripotent Stem Cells
Tế bào gốc cũng có thể được lấy từ máu dây rốn ngay sau khi sinh. Trong tất cả các loại tế bào gốc, việc thu hoạch tế bào gốc tự thân sẽ có ít nguy cơ rủi ro nhất. Theo định nghĩa, các tế bào tự thân thu được từ cơ thể của chính mình, giống như người ta có thể sử dụng máu của chính mình cho các cuộc phẫu thuật của mình vậy.
Quá trình sinh thiết một cơ quan người bắt đầu với một mẫu mô từ bệnh nhân. Kỹ thuật viên chuyển đổi tế bào của bệnh nhân thành tế bào gốc đa năng cảm ứng (iPSCs). Các iPSC sau đó được chuyển thành các tế bào tiền thân (precursor cell) sau đó được đưa vào máy sinh học.
Để tạo ra bioink( cái với bằng sáng chế với tên là Biosynsphere, bao gồm các tế bào gốc sống trong một môi trường vi mô, có đầy đủ các yếu tố tăng trưởng và chất dinh dưỡng có thể kích thích tế bào phát triển thành những loại tế bào cần thiết để hình thành nên một mạch máu hoạt động), các kỹ thuật viên đã trộn các tế bào gốc với các chất dinh dưỡng và vật liệu tăng trưởng. Bioink được tải vào một máy sinh học 3d, một máy in chuyên dụng cao, in ra một cơ quan mới với một lớp. Vì các tế bào chưa được hợp nhất với nhau, một khung đỡ hỗ trợ để giữ các lớp mô được in đúng vị trí. Khi quá trình in hoàn tất, các kỹ thuật viên sẽ chuyển cơ quan được in thành một lò phản ứng sinh học với điều kiện giống như trong cơ thể con người. Cơ quan ở lại trong lò phản ứng sinh học để trưởng thành và các tế bào tự tổ chức thành các nhóm mô sống. Khi cơ quan đã sẵn sàng, các kỹ thuật viên sẽ lấy khung đỡ ra, để lại một cơ quan sống.
Và lĩnh vực cấy ghép tế bào gốc đang dần thay thế cho lĩnh vực cấy ghép nội tạng con người.
- A robotic platform that moves in three dimensions within a certain space. It can be a Cartesian configuration like in 3D printers, or robotic arms like those used in automation processes (SCARA, spherical, polar, etc).
- A system of pumping/cell deposition , to infuse cells. It can also be used to deposit other liquid or gel materials. The commonly used systems are peristaltic pumps, piezoelectric systems, and syringe-pumps.
- A support that would replace the conventional head extruder in the printer, as we do not want to fry cells at temperatures over their survival one, nor contaminate them with the mechanism.
- An extra conventional head (optional) to work with biocompatible thermoplastics (PCL - Polycaprolacton, PLA - Polylactic acid, PGA - Polyglycolide, etc.) that can be used to reinforce the cell matrices, without damaging the cells with these high temperatures.
- A disinfection or decontamination system for items to be reused.
- Single-use (disposable) materials that will be in direct contact with the cells of each patient.