"Implant xương cá thể hóa ứng dụng công nghệ in 3D kim loại" gây ấn tượng tại Cuộc thi Sáng kiến Khoa học 2026 khi giải pháp có thể thay thế và tái tạo các khuyết hổng xương phức tạp bằng thiết kế riêng cho từng người bệnh.
BS Nguyễn Viết Hoàng, Trung tâm Công nghệ 3D trong Y học, Đại học VinUni, kể, hồi tháng 8/2024, nhóm kỹ sư tại VinUni nhận bài toán tái tạo thành ngực cho một bệnh nhân nữ 55 tuổi. Khối u lớn đã xâm lấn các xương sườn số 2, 3, 4 bên trái và một phần xương ức. Để loại bỏ tổn thương, bác sĩ phải cắt đi phần xương bị xâm lấn, để lại khoảng khuyết lớn phía trước tim và phổi.
Mảnh cấy ghép không chỉ cần vừa với khoảng trống, mà còn phải đủ vững chắc để bảo vệ cơ quan bên trong, đủ linh hoạt để không cản trở sự giãn nở của lồng ngực khi bệnh nhân hô hấp. Từ dữ liệu chụp cắt lớp, nhóm kỹ sư do BS Nguyễn Viết Hoàng dẫn đầu đã dựng mô hình giải phẫu ba chiều, xác định phạm vi xương đã cắt bỏ. Sau đó, các kỹ sư tính toán hình dạng, độ dày, vị trí cố định, khả năng chịu lực của mảnh ghép và cách đưa thiết bị vào cơ thể.
Bộ phận cấy ghép được chế tạo bằng công nghệ in 3D vật liệu titan, sử dụng trong ca phẫu thuật ngày 11/9/2024. Vinmec cho biết đây là trường hợp đầu tiên tại Đông Nam Á sử dụng cấu trúc titan in 3D tái tạo thành ngực. Với BS Hoàng, điều đáng nhớ là sản phẩm được thiết kế và chế tạo tại Việt Nam đã trở thành một bộ phận trong cơ thể người bệnh, giúp họ phục hồi chức năng và trở lại cuộc sống.
Đến nay, implant titan được cấy ghép cho nữ bệnh nhân hoạt động tốt, duy trì chức năng bảo vệ thành ngực và không cản trở hô hấp. "Đó là giá trị thực sự của công nghệ mà nhóm theo đuổi", anh Hoàng nói. Đến nay, giải pháp phát triển bộ phận cấy ghép bằng titan in 3D của nhóm đã hỗ trợ cho 15 bệnh nhân tổn thương xương phức tạp mà các giải pháp cấy ghép thông thường khó đáp ứng đầy đủ yêu cầu điều trị.
Phẫu thuật đưa lồng ngực in 3D từ titan vào cơ thể bệnh nhân. Ảnh: Vinmec
Giải pháp gồm hạ tầng phần cứng và phần mềm tại Việt Nam, rút ngắn thời gian chế tạo implant cá thể hóa từ vài tháng xuống vài tuần. Phần cứng bao gồm hệ thống máy trạm xử lý dữ liệu, dây chuyền in 3D hợp kim titan và hệ thống hoàn thiện bề mặt, kiểm tra kích thước, đóng gói. Phần mềm chuyên dụng giúp chuyển dữ liệu cắt lớp, cộng hưởng từ thành mô hình giải phẫu 3D, thiết kế implant theo từng bệnh nhân, mô phỏng khả năng chịu lực và xuất dữ liệu phục vụ chế tạo.
Bắt đầu từ ca bệnh khó
Theo BS Hoàng, dự án xuất phát từ những vướng mắc trong điều trị ung thư xương và tái tạo khuyết hổng xương lớn. Đối với các bệnh nhân có khối u xương ác tính, bác sĩ có thể phải cắt bỏ một phần rất lớn cấu trúc xương. Cấy ghép, hay implant, là cách giúp thay thế xương bị mất và giúp bệnh nhân phục hồi chức năng.
Tuy nhiên vấn đề là implant thường được sản xuất theo kích thước, hình thái giải phẫu tiêu chuẩn. Trong khi đó, cấu trúc xương mỗi người khác nhau, đặc biệt sau khi bị phá hủy bởi khối u hoặc chấn thương. Trong nhiều trường hợp, không tìm được sản phẩm thương mại phù hợp.
Công nghệ cấy ghép hiện đại cho phép cá thể hóa, nhưng chưa xuất hiện tại Việt Nam. Nếu đặt hàng một implant cá thể hóa từ nước ngoài, bệnh nhân có thể phải chờ nhiều tuần, thậm chí nhiều tháng. Với bệnh nhân ung thư xương, thời gian chờ đợi đó ảnh hưởng trực tiếp đến cơ hội điều trị.
Giải pháp của nhóm Trung tâm Công nghệ 3D trong Y học là nội địa hóa công nghệ, xây dựng hệ thống phần mềm thiết kế và phần cứng chế tạo ngay tại Việt Nam. "Nhiều người thường nghĩ công đoạn khó nhất là in 3D kim loại. Thực tế, thách thức nằm ở thiết kế một implant vừa phù hợp với giải phẫu, vừa đáp ứng được chức năng sinh học và cơ học sau khi cấy ghép", BS Hoàng cho biết.
Một mặt, sản phẩm phải đủ nhẹ, gọn và phù hợp với giải phẫu bệnh nhân. Mặt khác, nó phải có đủ độ bền cơ học và khả năng cố định vững chắc. Chẳng hạn, implant xương chậu phải chịu lực khi bệnh nhân đứng, đi, ngồi hoặc lên cầu thang. Implant thành ngực lại cần thích ứng với chuyển động hô hấp.
Lồng ngực nhân tạo in 3D. Ảnh: Vinmec
Trong trường hợp tái tạo thành ngực năm 2024, nhóm đã phải nghiên cứu và điều chỉnh nhiều phương án trong gần ba tuần thông qua hàng chục tình huống mô phỏng trước khi lựa chọn được phương án đáp ứng đồng thời về hình học, cơ học và phẫu thuật. Mỗi phương án là một lần tính toán từ đầu với các tham số khác sau: cách thức cố định implant, xác định lực tác động và tính khả thi khi phẫu thuật.
"Chúng tôi bắt buộc phát hiện vấn đề trong mô phỏng hoặc thử nghiệm, thay vì khi implant đã nằm trong cơ thể bệnh nhân", BS Hoàng nói.
Ưu thế của sản phẩm trong nước
Theo nhóm nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tại Việt Nam tạo ra sản phẩm cấy ghép tối ưu cho bệnh nhân trong thời gian ngắn. Trong một trường hợp cuối tháng 11/2023, bệnh nhân ung thư xương cần thay đồng thời một phần lớn xương chậu và phần trên xương đùi, thời gian nghiên cứu, thiết kế và chế tạo ở nước ngoài được ước tính ít nhất hai tháng.
Lý do, trong các ca khó như tái tạo xương chậu, bác sĩ không chỉ quan tâm đến việc thay thế phần xương bị mất mà còn phải tính toán các điểm bám của gân cơ để bệnh nhân có khả năng vận động sau phẫu thuật. Đội ngũ bác sĩ và kỹ sư cần phối hợp để điều chỉnh phương án implant, thậm chí hàng trăm lần, sao cho khả thi về chế tạo và đảm bảo hiệu quả điều trị.
Ở trường hợp năm 2023, ca phẫu thuật diễn ra cuối tháng 12/2023, chưa đầy một tháng sau khi bệnh nhân nhập viện. Ngay cả khi chưa nội địa hóa hoàn toàn việc sản xuất, chỉ riêng năng lực chủ động thiết kế và phối hợp trực tiếp giữa bác sĩ với kỹ sư trong nước đã giúp bệnh nhân tiết kiệm được một nửa thời gian chờ đợi, BS Hoàng cho biết.
"Đặc biệt với bệnh nhân ung thư xương, giá trị của việc rút ngắn thời gian điều trị và cơ hội được tiếp cận một phương án phẫu thuật phù hợp là khó đo đếm", anh nói.
Đến nay, khi toàn bộ quá trình đã nội địa hóa, nhóm cho biết mục tiêu là đưa sản phẩm implant cá thể hóa thành thiết bị y tế thường quy tại nhiều bệnh viện, tăng khả năng tiếp cận cho bệnh nhân Việt Nam. Điều này đòi hỏi hoàn thiện quy trình kiểm soát thiết kế, sản xuất, kiểm định an toàn và đáp ứng các yêu cầu pháp lý, hướng tới đưa sản phẩm thành thiết bị y tế thường quy tại nhiều bệnh viện. Theo chuyên gia, đối với sản phẩm implant, thành công của ca mổ mới là bước đầu và cần tiếp tục chứng minh khả năng phục hồi chức năng, độ ổn định lâu dài.
"Điều tôi mong muốn nhất là trong tương lai, khi một bác sĩ tại Việt Nam gặp bệnh nhân có tổn thương xương đặc biệt phức tạp, họ không phải từ bỏ một phương án điều trị chỉ vì không tìm được implant phù hợp hoặc không thể chờ sản phẩm từ nước ngoài", BS Hoàng chia sẻ.
Đầu tháng 10, đây là một trong năm dự án khoa học doanh nghiệp đạt giải thưởng Sáng kiến khoa học 2026. Tại chung kết, ban giám khảo đánh giá cao khả năng nội địa hóa quá trình phát triển implant titan - đòi hỏi mô phỏng phức tạp, kiểm soát độ chính xác, độ bền và các bước hoàn thiện, kiểm tra kích thước sau in. Năng lực này giúp bác sĩ chủ động xử lý những khuyết hổng xương phức tạp, điều chỉnh phương án cấy ghép phù hợp và rút ngắn thời gian chờ điều trị cho người bệnh.
Nam Nguyễn
- Kỹ sư Việt phát triển hệ thống quang học siêu phổ đo sức khỏe cây trồng