Luận văn: Thiết kế và đánh giá đặc tính đầu in dung dịch cho máy in 3D sinh học

Luận văn thạc sĩ về thiết kế và đánh giá đặc tính đầu in dung dịch cho máy in 3D sinh học. Tài liệu chuyên sâu ngành Kỹ thuật Cơ khí.

• Tác giả: Hoàng Bá Cường
• Người hướng dẫn: Ts. Phùng Xuân Lan
• Trường học: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế Và Đánh Giá Đặc Tính Của Đầu In Dung Dịch Cho Máy In 3D Sinh Học
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về đầu in dung dịch cho máy in 3D sinh học

Đầu in dung dịch là thành phần thiết yếu trong công nghệ in 3D sinh học, cho phép in các cấu trúc phức tạp với độ chính xác cao. Công nghệ này sử dụng Liquid Deposition Modeling (LDM) để tạo ra các mô sinh học nhân tạo. Đầu in đồng trục là loại đầu in phổ biến nhất, cho phép cấp phát dung dịch chứa tế bào sống một cách có kiểm soát. Ứng dụng của công nghệ này rất rộng, từ tạo tai nhân tạo, tim nhân tạo đến các tế bào in sinh học phục vụ nghiên cứu y học tái tạo. Thiết kế đầu in dung dịch phải đảm bảo khả năng cấp phát chính xác, bảo vệ tính sống của tế bào và tạo ra các cấu trúc có hình dạng ổn định.

1.1. Khái niệm và ứng dụng của đầu in dung dịch

Đầu in dung dịch trong máy in 3D sinh học có chức năng cấp phát chính xác các vật liệu in sinh học chứa tế bào sống. Công nghệ LDM cho phép in liên tục các vùng 2D để xây dựng cấu trúc 3D. Ứng dụng chính bao gồm tạo mô sinh học tái tạo, phát triển cơ quan nhân tạo và kiểm thử dược phẩm. Các vật liệu như Sodium Alginate (SA) được sử dụng phổ biến vì khả năng bảo vệ tế bào và tạo mô trong môi trường tự nhiên.

1.2. Các công nghệ in 3D sinh học hiện đại

Ngoài LDM, công nghệ Stereolithography (SLA) sử dụng tia UV để tạo mẫu quang hóa với độ chính xác cao. Phương pháp laze (SLA) và phương pháp dùn vật liệu là những kỹ thuật tiên tiến trong in sinh học. Mỗi công nghệ có ưu điểm riêng: LDM tốt cho in tế bào sống, SLA phù hợp in có độ chi tiết cao. Lựa chọn công nghệ phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của dự án nghiên cứu.

II. Thiết kế cơ cấu đầu in dung dịch

Thiết kế đầu in đồng trục tùy chỉnh yêu cầu các thành phần chính: cụm cấp dung dịch, xi lanh chứa dung dịch, kim phun và cơ cấu truyền động. Cụm cấp dung dịch SA và cụm cấp CaCl₂ phối hợp để tạo ra quá trình tạo thành vi hạt thông qua phản ứng hoá học. Piston-Xi lanh điều khiển lưu lượng dung dịch, trong khi van hút ngược ngăn chặn quay lui. Thiết kế phải tối ưu hóa tốc độ cấp dung dịch, áp suất hoạt động và độ chính xác của vị trí in để đạt chất lượng mô sinh học cao nhất.

2.1. Các thành phần chính của đầu in đồng trục

Đầu in đồng trục bao gồm cụm cấp dung dịch SA, cụm cấp CaCl₂ và kim phun. Cụm cấp SA chứa dung dịch Sodium Alginate với nồng độ cụ thể. Cụm cấp CaCl₂ cấp dung dịch Calcium Chloride tạo điều kiện keo hóa. Xi lanh chứa dung dịch được kiểm soát bởi cơ cấu Piston qua truyền ơc vít me-đai. Cầu tạo cụm cấp các tâm gá và kẹp giữ các thành phần chắc chắn.

2.2. Cơ cấu truyền động và điều khiển

Cơ cấu truyền ơc vít me-đai ốc bi cho phép điều khiển chính xác tốc độ cấp dung dịch từ 10-14 mm/s. Van hút ngược và cơ cấu thanh ray cơn trượt đảm bảo lưu lượng ổn định. Phần mềm điều khiển tích hợp CAD để lập trình mô hình in 3D. Hệ thống điều khiển cho phép điều chỉnh nồng độ CaCl₂ từ 0.1M đến 0.3M để tối ưu hóa quá trình keo hóa.

III. Đánh giá đặc tính của đầu in dung dịch

Đánh giá đặc tính đầu in dung dịch bao gồm kiểm thử thực nghiệm với nhiều thông số công nghệ. Nồng độ SA ảnh hưởng đến độ nhớt và chất lượng tế bào in. Nồng độ CaCl₂ từ 0.1M đến 0.3M kiểm soát mức độ keo hóa. Tốc độ in được kiểm thử ở 10, 12, 14 mm/s để tìm điều kiện tối ưu. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và tính toán động lực học chất lưu (CFD) hỗ trợ phân tích lý thuyết. Các mẫu in khung sinh học được kiểm tra độ chính xác hình học và sự sống của tế bào qua các giai đoạn khác nhau.

3.1. Các phương pháp đánh giá thực nghiệm

Thí nghiệm in 3D sinh học sử dụng dung dịch SA với nồng độ khác nhau và CaCl₂ ở các mức 0.1M, 0.2M, 0.3M. Ảnh chụp mẫu in giai đoạn 1 và 2 được phân tích chi tiết. Khu vực phân tích trên mỗi vùng in đánh giá chất lượng sợi, độ liên tục và hình dạng vi hạt. Cân hạt CaCl₂ và khuây từ đảm bảo dung dịch đồng đều. Máy in 3D sinh học được cài đặt thông số qua phần mềm điều khiển chuyên dụng.

3.2. Kết quả đánh giá và tối ưu hóa tham số

Tốc độ in 10-14 mm/s cho chất lượng tối ưu ở nồng độ CaCl₂ 0.2M. Nồng độ SA quá cao gây cản trở cấp phát, quá thấp không tạo cấu trúc bền. Giai đoạn keo hóa quan trọng để hình thành vi hạt và bảo vệ tế bào. Phân tích chi tiết cho thấy điều kiện in 12 mm/s cung cấp cân bằng tối tốt giữa chất lượng hình học và khả năng sống tế bào trong mô sinh học in.

IV. Ứng dụng và triển vọng phát triển

Đầu in dung dịch cho máy in 3D sinh học mở ra triển vọng lớn trong y học tái tạo và công nghệ mô. Tai nhân tạo, tim nhân tạo được tạo từ tế bào in sinh học có thể thay thế mô bị tổn thương. Ứng dụng tạo mô bao gồm da, xương, sụn được phát triển từ dung dịch Alginate và Extracellular Matrices (ECM). Vật liệu PCL kết hợp với SA tạo cấu trúc hybrid với tính cơ học tốt. Công nghệ này hỗ trợ kiểm thử dược phẩm mà không cần thí nghiệm động vật. Nghiên cứu sâu về thiết kế đầu in, tối ưu hóa tham số sẽ nâng cao hiệu quả sản xuất mô sinh học.

4.1. Ứng dụng trong y học tái tạo

In 3D sinh học cho phép tạo cơ quan nhân tạo từ tế bào bệnh nhân, giảm nguy hiểm từ chối ghép. Tai nhân tạo (bionic ear) được tạo thành công từ dung dịch sinh học. Tim nhân tạo, phổi in, thận in đang được phát triển thử nghiệm. Vật liệu in SA + PCL cung cấp tính chất cơ học phù hợp mô tự nhiên. Công nghệ này đại diện cho bước tiến vượt bậc trong y học hiện đại.

4.2. Hướng phát triển tương lai

Công nghệ in 3D sinh học sẽ tiếp tục cải tiến với đầu in dung dịch độ chính xác cao hơn. Tối ưu hóa vật liệu sử dụng tổ hợp SA + ECM + PCL tạo tính năng vượt trội. Tự động hóa quá trình và AI kiểm soát chất lượng sẽ nâng cao năng suất. In lưỡng kỳ (in 2D liên tiếp) sẽ được thay thế bằng in 3D thực sự. Công nghệ này hứa hẹn cách mạng trong sản xuất mô sinh học và điều trị y tế cá nhân hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 16 CITUONG 2. NGITIEN CCU, THIET KE VA TINII TOAN MO PIIOXG DẦU IN DUNG DỊCH.1 Phân tích khả năng phân phối của đâu ¡in đông trục.2 __ Tỉnh toán mô phỏng đỏng chảy đung dịch. Phương pháp mô phỏng động lục học đòng cháy (CED).22 __ Mô phóng đánh giá đạc tính đồng chây 22 23 Thiết kế cụn đầnin đụng dich 28 2.31 Sơ đồ cấu lao 28 Tóm tắt nội dung luận văn Công nghệ in 3Ð hiện nay được ứng dung rông rãi trong nhiêu lĩnh vực của đời sống sản xuất như giảo đục, y tẾ, xảy dựng v. bởi ru điểm nổi bật là có thể nhanh chủng tạo ra các chỉ tiết có hình dáng phúc tạp trực tiếp từ mô hình vặt thể sân 3D mủ không phải phương pháp nào cũng có thể lạo ra được.

Trong công nghệ y sinh, céng nghệ in 3Í) được ứng dụng nhiều để tao nên các bộ phận giả, điển hình như chân, tay, răng, xương trên cơ thể người với độ chính xác hoàn hảo. Một xu hướng nghiên cứu mởi hiền này là các ửng đụng công nghệ in 3D trong việc chẻ tạo ra các mô sinh học như xương, sun và đa. Với những loại my in như vậy, vật Hêu cũng rất phong phú mả người ta gọi tên chung là mục in sinh học với trạng thải chủ yếuHà dựng địch dạng gel có thể kết hợp hoặc không kết hợp với 8 baa. Các gel này tạo ra môi trường cho tế bảo có thể phát triển để hinh thành md.

Việc nghiễn cứu phương pháp và đặc điểm cúa in 3D vật liệu dạng mực in sinh học này có ý nghĩa khoa học và ứng đụng lớn. Vì vậy để tải tập trung nghiên cứu đầu in dụng địch tiên máy in 3D sinh học, đồng thời thực nghiệm và phân tích mồ phỏng CAL: để nghiên cứu tích chất của dưng địch và đông chảy. Nó có ý nghữa trong cáo nghiễn cửu và chế ao ra các mô kỹ thuật ở Việt Nam. Để làm rõ được nội dung của đẳ tài trên ta cần hoàn thánh các mục tiều nghiên oft sau: Nghiên cứu tống quan về cởng nghệ in 3D sinh học và các phương pháp in 3D sinh học ~ Lựa chọn được vật liệu cho in sinh học và phương pháp in Phân tích, mô phòng đặc tinh ding chiy etia dung dich in ~ Thiết 5.

chế Ko tạo đầuđề ín3 dụng định. ~ 'Thực nghiệm và đảnh giá ảnh hướng của các thông số in đến chất lượng. đưởngin HỌC VIÊN Ký và ghỉ rõ họ tên. MUC LUC Loi chm on.

- i Torn lat ni dung luận văn. ii DANH MỤC KÝ HIEU VA CHU VIBT TAT. ccccsesececu eerie sesinee¥ DANH MUC HINH VE. vi DANH MỤC BẢNG BIÊU.

Hang are CHUONG 1. NGHIEN CUU TONG QUAN VE CONG NGHE IN 3D SINH ‘A CAC PITUGNG PITAP IN 3D SINTITTOC T 1. Tống quan về công nghệ mỏ và in3D.2 Công nghệ mö sinh học. Công nghệ m3D sinhhọc.3 Các còng nghệin3D sinh học phỏ biển.

Insinhhọc bằng phương pháp in phư. Insinhhọc bằng phương pháp tạo mẫu quang hóa. Insinhhọc bằng phương pháp ép đủn vật hệu.4 Vậtliệu sinh học được sử dụng trong in 3D cho công nghệ mô. Đặc điểm của vật liệu lâm mực sinh học phủ hợp với in 3U.42 __ Một sô loại vật liên phổ biển due ding Jam mực in sinh học.

LI 15 _ Đầnin dung địch cho máy in 3D sinh học 13 Kết mận chương 1 16 CITUONG 2. NGITIEN CCU, THIET KE VA TINII TOAN MO PIIOXG DẦU IN DUNG DỊCH.1 Phân tích khả năng phân phối của đâu ¡in đông trục.2 __ Tỉnh toán mô phỏng đỏng chảy đung dịch. Phương pháp mô phỏng động lục học đòng cháy (CED).22 __ Mô phóng đánh giá đạc tính đồng chây 22 23 Thiết kế cụn đầnin đụng dich 28 2.31 Sơ đồ cấu lao 28 Tóm tắt nội dung luận văn Công nghệ in 3Ð hiện nay được ứng dung rông rãi trong nhiêu lĩnh vực của đời sống sản xuất như giảo đục, y tẾ, xảy dựng v. bởi ru điểm nổi bật là có thể nhanh chủng tạo ra các chỉ tiết có hình dáng phúc tạp trực tiếp từ mô hình vặt thể sân 3D mủ không phải phương pháp nào cũng có thể lạo ra được.

Trong công nghệ y sinh, céng nghệ in 3Í) được ứng dụng nhiều để tao nên các bộ phận giả, điển hình như chân, tay, răng, xương trên cơ thể người với độ chính xác hoàn hảo. Một xu hướng nghiên cứu mởi hiền này là các ửng đụng công nghệ in 3D trong việc chẻ tạo ra các mô sinh học như xương, sun và đa. Với những loại my in như vậy, vật Hêu cũng rất phong phú mả người ta gọi tên chung là mục in sinh học với trạng thải chủ yếuHà dựng địch dạng gel có thể kết hợp hoặc không kết hợp với 8 baa. Các gel này tạo ra môi trường cho tế bảo có thể phát triển để hinh thành md.

Việc nghiễn cứu phương pháp và đặc điểm cúa in 3D vật liệu dạng mực in sinh học này có ý nghĩa khoa học và ứng đụng lớn. Vì vậy để tải tập trung nghiên cứu đầu in dụng địch tiên máy in 3D sinh học, đồng thời thực nghiệm và phân tích mồ phỏng CAL: để nghiên cứu tích chất của dưng địch và đông chảy. Nó có ý nghữa trong cáo nghiễn cửu và chế ao ra các mô kỹ thuật ở Việt Nam. Để làm rõ được nội dung của đẳ tài trên ta cần hoàn thánh các mục tiều nghiên oft sau: Nghiên cứu tống quan về cởng nghệ in 3D sinh học và các phương pháp in 3D sinh học ~ Lựa chọn được vật liệu cho in sinh học và phương pháp in Phân tích, mô phòng đặc tinh ding chiy etia dung dich in ~ Thiết 5.

chế Ko tạo đầuđề ín3 dụng định. ~ 'Thực nghiệm và đảnh giá ảnh hướng của các thông số in đến chất lượng. đưởngin HỌC VIÊN Ký và ghỉ rõ họ tên. Lời cảm ơn Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thây cô giáo trường Cơ khí Đại học Bách Khoa Hà Xôi.

Đặc biệt tôi xin gửi làm cảm ơn chân thành và sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn - T8. Phùng Xuân lam là người đã luôn giúp đố, chỉ bảo và định hướng tôi trong quá trình nghiên cứu khoa học để hoàn thành luận văn này. Qua sự giứp đỡ của cô, tôi đã có đuợc những kiến thức và kỹ năng cần thiết để thực hiện để tài luận văn. Tỏi cũng nmỗn gửi lời cảm ơn chân thành dẫn TS.

Kguyễn Kiên Trung đã hướng dẫn, giúp đỡ lận lĩnh và các thành viên nghiên cứu tong IMS Lab da hd trợ và đóng góp ý kiến đề giúp tôi hoàn thánh để tài này một cách hiệu quá. Sự hợp túc và công hiển của thành viên trong IMS Lab đã giúp tôi có thế hoàn thành để tài với chất lượng lỗi nhật Tôi xu chân thành cảm ơn Quỹ đổi mới sáng lạo Vingroup (VTXTE) đã tải trợ cho đự án VINII.DA13 có kinh phí để thực hiện các nghiên cứu trong. khuôn khố cửa luận văn. 'Tôi xin chúc thây cố thật nhiều sức khoẻ và luôn truyền cảm hứng nghiên cứu khoa học chơ các thể hệ học viên tiếp theo.

Do thớt gian nghiền cứu và kiến thức bản thân còn hạn chế nêu tất trong được sự đóng góp của thấy cô để bài luận vân được hoàn thiện hơn. Tổi xin chân thành cảm on! Hinh 2. Can tao cum cap dung dich SA.cccsccsssseeenesaneeenean SO Hình 2. Van hút ngược 31 1iình 2.

Các tâm gá cụm cấp dưng địch Alginate 32 Tình 2. Xi lanh chứa dung địch 32 Hình 2. Kim phun 32 Hình 2. Cầu tạo cụm cấp dung dich CaCl, 33 Hình 2.

Cơ câu truyền ding truc vít me - dai Ốc bi. Các tắm gá, kẹp của cụm cấp dung địch CaCL:. Cơ câu thanhray cơn trượt. Piston- Xi lanh.

So dé lap cum cdp dung dich CaCh. So dé lap cum cap dung dich SA và đầu in đồng trục 37 Minh 2. Cum dim dung dich thực tế chế tạo. a) Tai cụm cấp đụng dịch; b) Cum đầu in dưng dịch tích hợp trên máy in 31 sinh học 38 Minh 3.1, Chndn bị vật liều thí nghiêm.

a) cân hạt CaCle, b) Khuây bằng từ dé hoa tan CaCl. Câu trúc đường in 4I linh 3. '!hiết lập thí nghiệm trên máy in 3 sinh học 42 Ilình 3. Cài đặt trên phần mềm điểu khiển may in.

Mẫu in đang trong quả trình in AB Hình 3.6 Vi tri do kiểm 4 Hình 3.7 Cá thông số thu thếp. Sơ đồ do kiệm mẫu ỉn.9 Các mẫu in Khung sinh học với nồng độ khác nhau của SA; (8) SA.10 Đường in 0-90 được ïn với các nồng độ CaC1› khác nhau; (a) 0,1M, (h} 0,2M, (ø) 03M.11 Khu vực phân tích trên mỗi vùng ïn 48 Hình 3. Ảnh chụp mẫuïn giai đoạn 1 ở nông độ CaCI: 0,1M và các tốc độ in 10, 12, 14 mm/s tương ứng với (a, b, e} 49 Tnh 3. Ảnh chụp mẫn in giai đoạn 2 ở nồng độ CaCl: 0,2 M và các tốc độ im 10, 12, L4 mm/s tương ứng với (a, b, e) 49 vil MUC LUC Loi chm on.

- i Torn lat ni dung luận văn. ii DANH MỤC KÝ HIEU VA CHU VIBT TAT. ccccsesececu eerie sesinee¥ DANH MUC HINH VE. vi DANH MỤC BẢNG BIÊU.

Hang are CHUONG 1. NGHIEN CUU TONG QUAN VE CONG NGHE IN 3D SINH ‘A CAC PITUGNG PITAP IN 3D SINTITTOC T 1. Tống quan về công nghệ mỏ và in3D.2 Công nghệ mö sinh học. Công nghệ m3D sinhhọc.3 Các còng nghệin3D sinh học phỏ biển.

Insinhhọc bằng phương pháp in phư. Insinhhọc bằng phương pháp tạo mẫu quang hóa. Insinhhọc bằng phương pháp ép đủn vật hệu.4 Vậtliệu sinh học được sử dụng trong in 3D cho công nghệ mô. Đặc điểm của vật liệu lâm mực sinh học phủ hợp với in 3U.42 __ Một sô loại vật liên phổ biển due ding Jam mực in sinh học.

LI 15 _ Đầnin dung địch cho máy in 3D sinh học 13 Kết mận chương 1 16 CITUONG 2. NGITIEN CCU, THIET KE VA TINII TOAN MO PIIOXG DẦU IN DUNG DỊCH.1 Phân tích khả năng phân phối của đâu ¡in đông trục.2 __ Tỉnh toán mô phỏng đỏng chảy đung dịch. Phương pháp mô phỏng động lục học đòng cháy (CED).22 __ Mô phóng đánh giá đạc tính đồng chây 22 23 Thiết kế cụn đầnin đụng dich 28 2.2 Cẩutạo cụm đầu¡n đồng trục.3 Cầu tạo cụm cấp dưng địch SA. neo se 234 Cơ cân cụm cấp dung dich Canxi Clorua 24 — Ché taova lép rap cum dau in dung dich Kết luận chương 2 CHƯƠNG 3.

THỰC NGHIÊM DÁNH GIÁ ẢNH HƯỚNG CỦA CÁC THONG SỐ IN ĐẾN CHẤT LƯỢNG ĐƯỜNG IN.1 Mục tiêu và pham vi thie nghiém.3 Các chế độ chạy thực nghiệm. Al 33 Sœđồthinghiêm 42 3⁄4 Phuong pháp đo kiểm 44 3.5 Kết qnả thực nghiệm 46 3.1 Ảnh hưởng của nông độ SA đến khả năng in thủ nghiềm.