4 thành phần màng GMR có cấu trúc tương tự nhau, trong đó 2 phần tử đặt trong màn chắn và 2 phần tử tích cực để lộ trong từ trường 1
1.1.1 Khái quát tình hình phát triển kỹ thuật và công nghệ y sinh trong vài thập kỷ gần đây
thập kỷ gần đây
Ngày nay, khi mà khoa học kỹ thuật phát triển vượt bậc thì kỹ thuật và công nghệ y sinh gắn liền với đời sống con người đã hiện diện trong mọi lĩnh vực, với mục đích làm cho chất lượng cuộc sống của con người ngày một nâng cao. Theo đánh giá của các tổ chức y sinh học trên thế giới, y - sinh học (gọi tắt là y sinh) là một trong các ngành công nghiệp có công nghệ phát triển nhanh nhất và kỹ thuật y sinh được mô tả là một trong những "nghề nghiệp phát triển nhanh nhất." Theo GS. Christine E. Schmidt tại Đại học Texas, Mỹ, bằng việc ứng dụng tế bào và vật liệu sinh học theo phương pháp tiếp cận y sinh học có tổ chức, sự phát triển song song với tiến bộ công nghệ ít tốn kém đã được tạo ra và điều này sẽ có tác động rộng lớn trên toàn cầu. Các nhà khoa học và kỹ sư đang thúc đẩy sự phát triển công nghệ tiên tiến nhất: Tế bào gốc, hạt nano và vật liệu "thông minh" - một thời kỳ phục hưng của các phương pháp đơn giản và công nghệ đạt yêu cầu ngày càng được thu nhỏ gọn hơn cải thiện phương pháp điều trị lâm sàng.
Vậy kỹ thuật y sinh (KTYS) là gì? Nếu vào thế kỷ 20, vật lý là ngành khoa học trung tâm thì bước sang thế kỷ 21 mọi nghiên cứu sẽ theo hướng lấy sự sống làm trọng tâm. Điều đó đồng nghĩa với việc ngành y sinh học trở thành tiêu điểm cho đại đa số các ngành khoa học khác. Từ đây sẽ hình thành nhiều giao ngành như lý sinh (biophysics), hoá sinh (biochemistry), tin sinh học (bioinformatics), điện tử sinh học (bioelectronics), vật liệu sinh học (biomaterials),… trực thuộc các lĩnh vực đã và đang được tạo ra là kỹ thuật
40
sinh học (bioengineering) và công nghệ sinh học (biotechnology),… với mục tiêu áp dụng những nguyên lý kỹ thuật để nghiên cứu sự sống, tìm ra bản chất hóa học của các quá trình sống. Từ đó giúp chúng ta có thể hiểu rõ và can thiệp được vào những quá trình này. Có thể tóm gọn định nghĩa kỹ thuật y sinh là một ngành khoa học lấy kỹ thuật làm phương tiện, lấy sinh học là cơ chế, và y học là mục đích. Nghĩa là áp dụng các nguyên lý kỹ thuật và thiết kế vào lĩnh vực y học và sinh học để cải thiện y tế, chuẩn đoán, theo dõi và điều trị.
Trong vài thập kỷ gần đây, cùng với sự phát triển nhanh chóng của các ngành khoa học và công nghệ mũi nhọn, đặc biệt là các ngành công nghệ sinh học, công nghệ vật liệu nano và công nghệ thông tin, ngành công nghệ và kỹ thuật y sinh trên thế giới cũng đạt được những tiến bộ vượt bậc. Các ứng dụng kỹ thuật y sinh nổi bật bao gồm sự phát triển của bộ phận giả tương hợp sinh học, các thiết bị y tế khác nhau từ các thiết bị lâm sàng đến vi-cấy ghép trong chẩn đoán và điều trị, thiết bị hình ảnh phổ biến như MRI và EEGs, phát triển mô tái sinh, thuốc dược phẩm và sinh phẩm điều trị.
1.1.1.1 Công nghệ sinh học và dược phẩm
Công nghệ sinh học (CNSH) có thể là một thuật ngữ khá mơ hồ, đôi khi được sử dụng lỏng lẻo thay thế lẫn nhau với KTYS nói chung. Tuy nhiên, CNSH thường biểu thị các sản phẩm cụ thể có sử dụng "hệ thống sinh học, các sinh vật sống, hoặc các dẫn xuất của chúng". Ngay cả một số "thiết bị y tế" phức tạp (xem bên dưới) cũng có thể được coi là "công nghệ sinh học" tùy thuộc vào mức độ mà các yếu tố như là trung tâm đối với nguyên tắc hoạt động của thiết bị. Sinh học /dược phẩm sinh học - biopharmaceuticals (ví dụ, vắc xin, sản phẩm máu lưu trữ, v.v...), kỹ thuật di truyền và các ứng dụng nông nghiệp khác nhau là một số các nhánh chính của công nghệ sinh học.
41
Dược phẩm có liên quan đến CNSH theo hai cách gián tiếp: 1) một số lớn các loại (ví dụ như sinh học) thuộc cả hai lĩnh vực; và 2) Dược phẩm và CNSH cùng nhau về cơ bản bao gồm các bộ "thiết bị phi y tế" ứng dụng KTYS. Sự phát triển của nhánh CNSH có thể được tóm lược ở các lĩnh vực kỹ thuật sau.
Kỹ thuật mô
Kỹ thuật mô là một phân đoạn lớn của CNSH. Một trong những mục tiêu của kỹ thuật mô là để tạo ra các cơ quan nội tạng nhân tạo (thông qua vật liệu sinh học) cho các bệnh nhân cần cấy ghép nội tạng. Các kỹ sư y sinh hiện đang nghiên cứu phương pháp tạo ra các cơ quan như vậy. Ví dụ như các nhà nghiên cứu đã phát triển xương hàm vững chắc [16] và tracheas từ tế bào gốc của con người cho mục đích này. Một số bong bóng nước tiểu nhân tạo thực sự được nuôi trong phòng thí nghiệm và cấy ghép thành công vào bệnh nhân của con người [17]. Các cơ quan sinh học nhân tạo, sử dụng cả hai thành phần sinh học và tổng hợp, cũng là một lĩnh vực đang được tập trung nghiên cứu, chẳng hạn như các thiết bị hỗ trợ gan sử dụng tế bào gan trong một phản ứng sinh học nhân tạo.
Kỹ thuật di truyền
Kỹ thuật di truyền, công nghệ DNA tái tổ hợp, biến đổi gen, thao tác và nối gen là những thuật ngữ áp dụng cho các thao tác trực tiếp của các gen của một sinh vật. Kỹ thuật di truyền sử dụng các kỹ thuật nhân bản và chuyển đổi phân tử để làm thay đổi cấu trúc và đặc điểm của các gen một cách trực tiếp. Kỹ thuật di truyền đã tìm thấy thành công trong nhiều ứng dụng. Điển hình như trong việc cải thiện công nghệ cây trồng, sản xuất insulin tổng hợp của con người thông qua việc sử dụng vi khuẩn biến đổi, sản xuất erythropoietin trong các tế bào trứng chuột đồng và tạo ra các loại chuột thử nghiệm mới như chuột ung thư phục vụ nghiên cứu.
42
Kỹ thuật thần kinh
Kỹ thuật thần kinh (Neuroengineering) là một ngành kỹ thuật sử dụng các kỹ thuật để hiểu, sửa chữa, thay thế, hoặc tăng cường hệ thống thần kinh. Cho tới nay, kỹ thuật thần kinh đã có những bước phát triển quan trọng ứng dụng trong thực tế. Nhiều nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc hiểu biết về mã hóa và xử lý thông tin trong hệ thống cảm giác và vận động, sau đó tìm cách để thao tác thông qua tương tác với các thiết bị nhân tạo bao gồm các giao diện não - máy tính và neuroprosthetics, hay thực hiện các cấy ghép thần kinh kết nối với công nghệ bên ngoài [18].
Kỹ thuật dược phẩm
Kỹ thuật dược phẩm là một chi nhánh của khoa học dược phẩm và công nghệ có liên quan đến sự phát triển và sản xuất các sản phẩm, quy trình, và các thành phần trong ngành công nghiệp dược phẩm. Kỹ thuật dược phẩm được coi là một nhánh của kỹ thuật y sinh. Với sự phổ biến ngày càng tăng của "sản phẩm kết hợp" giữa dược phẩm (hóa học) và y sinh, các dòng sản phẩm chăm sóc sức khỏe như thuốc, sinh học và các loại thiết bị khác nhau hiện trộn lẫn vào nhau không phân biệt danh giới của các ngành.
1.1.1.2 Thiết bị y tế
Thiết bị y tế là một khái niệm rộng bao gồm các loại thiết bị được sử dụng trong chẩn đoán bệnh tật hoặc trong chữa bệnh, điều trị và phòng ngừa bệnh tật. Một số ví dụ bao gồm máy điều hòa nhịp tim, máy bơm truyền dịch, máy tim-phổi, máy lọc máu, các cơ quan nhân tạo, cấy ghép, chân tay giả, thấu kính chỉnh, cấy ghép ốc tai, mắt giả, bộ phận giả trên khuôn mặt, somato giả và cấy ghép răng.
Y tế hình ảnh
Y tế/ y sinh học hình ảnh là một phân đoạn chính của thiết bị y tế. Các thiết bị loại này cho phép các bác sĩ lâm sàng trực tiếp hoặc gián tiếp "nhìn
43
được" những yếu tố không thể nhìn thấy trong vùng đau hạn hẹp (chẳng hạn như do kích thước của chúng, hoặc địa điểm). Điều này bao gồm việc sử dụng siêu âm, từ tính, tia cực tím, các loại bức xạ X quang khác và các phương tiện khác. Ngày nay công nghệ hình ảnh rất thiết để chẩn đoán và điều trị bệnh. Các thiết bị phức tạp nhất được tìm thấy trong một bệnh viện thường bao gồm: Quang phổ kế, hình ảnh cộng hưởng từ (MRI), y học hạt nhân, PET quét, PET-CT quét, chiếu chụp X quang, chụp cắt lớp CT, siêu âm, kính hiển vi quang học, hiển vi điện tử, v.v…
Cấy ghép
Một cấy ghép là một loại thiết bị y tế được thực hiện để thay thế và có chức năng như một cấu trúc sinh học còn thiếu. Các bề mặt cấy ghép tiếp xúc với cơ thể có thể được làm từ một loại vật liệu y sinh học như silicone, titan, apatit tùy theo cái nào là chức năng nhất đối với từng trường hợp. Trong một số trường hợp cấy ghép có chứa thiết bị điện tử, ví dụ như máy điều hòa nhịp tim nhân tạo và cấy ghép ốc tai điện tử. Một số cấy ghép có chức năng hoạt tính sinh học, chẳng hạn như thiết bị phân phối thuốc dưới da ở dạng thuốc cấy dưới da hoặc ống đỡ động mạch tẩy rửa thuốc.
1.1.1.3 Kỹ thuật lâm sàng
Kỹ thuật lâm sàng là một nhánh của kỹ thuật y sinh liên quang với việc thực thi thực tế của công nghệ và thiết bị y tế tại các bệnh viện hoặc các thiết lập lâm sàng khác. Kỹ thuật lâm sàng gắn liền với điều trị lâm sàng và được phát triển cùng với kỹ thuật và công nghệ tiên tiến.