Đồ án chế tạo kênh dẫn kỵ nước và cảm biến vi lỏng trên giấy - HCMUTE

Dưới đây là các meta tag cho bài viết: { "ai_description": "Nghiên cứu ứng dụng quy trình in phun trong chế tạo kênh dẫn kỵ nước và cố định chất sinh học

• Tác giả: Trịnh Quốc Toàn
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Thị Mỹ Dung
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng quy trình in phun trong chế tạo kênh dẫn kỵ nước trên đế giấy
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về in phun chế tạo kênh dẫn kỵ nước

In phun (inkjet printing) là công nghệ chế tạo tiên tiến ứng dụng nguyên lý phun giọt mực siêu nhỏ lên bề mặt đế vật liệu. Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo vi mạch, cảm biến sinh học nhờ khả năng tạo mẫu nhanh, chi phí thấp và độ chính xác cao. Đối với lĩnh vực y sinh, in phun được sử dụng để chế tạo kênh dẫn vi lỏng trên đế giấy, tạo nền tảng cho cảm biến sinh học. Đặc biệt, khả năng kiểm soát chính xác lượng mực phun giúp tối ưu hóa hiệu suất cảm biến. Nghiên cứu này tập trung vào ứng dụng in phun trong chế tạo kênh dẫn kỵ nước trên đế giấy, kết hợp cố định chất sinh học để phát triển cảm biến sinh học vi lỏng.

1.1. Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật in phun

Kỹ thuật in phun hoạt động dựa trên hai cơ chế chính: nhiệt (thermal) và áp điện (piezoelectric). Cơ chế nhiệt sử dụng nhiệt độ cao (200-300°C) để tạo bọt hơi đẩy mực ra khỏi vòi phun, trong khi cơ chế áp điện sử dụng xung điện để biến dạng màng ngăn, tạo áp lực đẩy mực. Đối với chế tạo kênh dẫn kỵ nước, mực in hữu cơ chứa polymer kỵ nước được phun lên đế giấy, tạo thành các đường dẫn có khả năng chống thấm nước. Ưu điểm của in phun là khả năng tái tạo mẫu phức tạp, chi phí thấp và tương thích với nhiều loại vật liệu.

1.2. Đặc điểm vật liệu đế giấy trong nghiên cứu

Đế giấy được lựa chọn do chi phí thấp, khả năng hấp thụ dung dịch và tương thích sinh học. Giấy lọc cellulose có cấu trúc xốp, giúp tăng cường tương tác giữa chất sinh học và mẫu thử. Ngoài ra, giấy có khả năng phân hủy sinh học, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững. Tuy nhiên, giấy tự nhiên không có tính kỵ nước, do đó cần phủ lớp màng polymer kỵ nước lên bề mặt. Nghiên cứu này sử dụng giấy lọc Whatman Grade 1 do độ dày đồng đều, khả năng hấp thụ dung dịch ổn định.

II. Phân tích thách thức trong chế tạo kênh dẫn kỵ nước

Chế tạo kênh dẫn kỵ nước trên đế giấy gặp nhiều thách thức về vật liệu, công nghệ và độ chính xác. Vấn đề chính là duy trì tính kỵ nước ổn định trong môi trường ẩm ướt, đặc biệt khi ứng dụng trong cảm biến sinh học. Độ nhớt và sức căng bề mặt của mực in ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng đường dẫn. Ngoài ra, sự biến tính của chất sinh học trong quá trình phun do nhiệt độ hoặc dung môi cũng là trở ngại lớn. Nghiên cứu này phân tích các yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ phun, tốc độ dòng chảy, và tương thích hóa học giữa mực in và đế giấy.

2.1. Ảnh hưởng của dung môi đến hoạt tính sinh học

Dung môi trong mực in có thể gây biến tính chất sinh học, làm mất hoạt tính enzym hoặc kháng thể. Các dung môi hữu cơ như ethanol thường được sử dụng để điều chỉnh độ nhớt, nhưng lại gây biến tính protein. Nghiên cứu đề xuất sử dụng dung môi lành tính như glycerol hoặc DMSO để bảo toàn hoạt tính sinh học. Ngoài ra, pH dung dịch cũng ảnh hưởng đến độ ổn định của chất sinh học, đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ trong quá trình pha chế mực in.

2.2. Độ chính xác và độ bền của kênh dẫn

Độ chính xác của kênh dẫn phụ thuộc vào độ phân giải của máy in phun, thường đạt 20-50 micromet. Tuy nhiên, độ bền của kênh dẫn kỵ nước trong môi trường ẩm ướt là thách thức lớn. Lớp phủ polymer kỵ nước có thể bị bong tróc hoặc mất tính kỵ nước sau thời gian sử dụng. Nghiên cứu này đánh giá hiệu suất của các polymer kỵ nước như PDMS, PTFE, và sáp paraffin, nhằm lựa chọn vật liệu tối ưu cho ứng dụng cảm biến sinh học.

III. Giải pháp ứng dụng quy trình in phun tiên tiến

Để khắc phục các thách thức trên, nghiên cứu đề xuất quy trình in phun hai bước: (1) in lớp màng polymer kỵ nước lên đế giấy, (2) in chất sinh học lên bề mặt đã xử lý. Bước đầu tiên sử dụng mực in chứa PDMS pha loãng, in ở nhiệt độ phòng để tránh biến tính polymer. Bước thứ hai sử dụng mực in chứa enzym glucose oxidase pha trong dung môi glycerol, in ở tốc độ thấp để đảm bảo độ chính xác. Quy trình này được tối ưu hóa thông qua khảo sát thông số như nhiệt độ, áp suất phun, và khoảng cách vòi phun đế giấy.

3.1. Tối ưu hóa thông số in phun

Thông số in phun ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng kênh dẫn. Nhiệt độ phun ảnh hưởng đến độ nhớt mực, nhiệt độ cao (trên 60°C) có thể gây biến tính chất sinh học. Áp suất phun điều chỉnh kích thước giọt mực, áp suất thấp (1-2 bar) phù hợp cho mực chứa enzym. Khoảng cách vòi phun đế giấy (0.5-1 mm) đảm bảo độ phân giải cao. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp thiết kế thí nghiệm (DoE) để xác định thông số tối ưu cho từng loại mực in.

3.2. Đánh giá hiệu suất kênh dẫn kỵ nước

Hiệu suất kênh dẫn được đánh giá thông qua khả năng chống thấm nước, độ bền cơ học, và khả năng dẫn chất lỏng. Kênh dẫn kỵ nước thành công phải duy trì tính kỵ nước sau 24 giờ ngâm trong nước, chịu được lực cắt 1 N/mm², và dẫn chất lỏng với tốc độ 10 µL/phút. Nghiên cứu sử dụng phương pháp đo góc tiếp xúc (contact angle) để đánh giá tính kỵ nước, kết hợp với thử nghiệm dẫn chất lỏng bằng dung dịch màu.

IV. Kết luận và triển vọng ứng dụng trong y sinh

Nghiên cứu thành công ứng dụng quy trình in phun trong chế tạo kênh dẫn kỵ nước và cố định chất sinh học trên đế giấy, tạo nền tảng cho cảm biến sinh học vi lỏng. Kết quả cho thấy kênh dẫn đạt độ chính xác 30 micromet, khả năng chống thấm nước ổn định sau 72 giờ, và hoạt tính enzym bảo toàn 90%. Ứng dụng tiềm năng của nghiên cứu bao gồm cảm biến glucose, phát hiện kháng thể SARS-CoV-2, và chẩn đoán bệnh tiểu đường. Quy trình này có thể mở rộng sản xuất do chi phí thấp, tương thích sinh học, và dễ dàng tùy chỉnh mẫu in.

4.1. Đóng góp khoa học của nghiên cứu

Nghiên cứu đóng góp vào lĩnh vực công nghệ in sinh học bằng cách chứng minh khả năng ứng dụng in phun trong chế tạo cảm biến sinh học vi lỏng trên đế giấy. Kết quả cung cấp dữ liệu thực nghiệm về ảnh hưởng của dung môi, nhiệt độ, và thông số in đến chất lượng sản phẩm. Ngoài ra, nghiên cứu đề xuất phương pháp tối ưu hóa quy trình in phun, có thể áp dụng cho các ứng dụng tương tự.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Hướng phát triển tiếp theo bao gồm mở rộng ứng dụng cho các loại cảm biến khác như cảm biến protein, DNA, và vi khuẩn. Nghiên cứu cũng đề xuất tích hợp hệ thống đọc kết quả tự động, sử dụng điện thoại thông minh để phân tích màu sắc trên kênh dẫn. Ngoài ra, cần nghiên cứu cải tiến vật liệu đế giấy để tăng độ bền và khả năng tái sử dụng, hướng tới sản xuất quy mô công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Công nghệ in phun 1.1 Giới thiệu về công nghệ in phun In phun là kỹ thuật lắng đọng một lượng vật liệu pha lỏng trực tiếp lên trên đế theo một mô hình nhất định bằng cách tạo ra những giọt mực đẩy ra từ các vòi phun. Những loại vật liệu chức năng sẽ được hòa tan hoặc phân tán bên trong dung môi để tạo thành mực in. Vật liệu dùng làm đế cũng rất đa dạng như: vật liệu vô cơ (thủy tinh, silic,.), vật liệu polymer (polydimethylsiloxane, polystyrene, polypropylene, …), vật liệu giấy,. Công nghệ in phun được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như đồ họa, điện tử, sinh học,.

Đối với lĩnh vực sinh học, việc chứng minh tính hiệu quả của ứng dụng công nghệ in phun đã được tiến hành trong nhiều thập kỷ qua, trong đó có công trình nghiên cứu của Klebe vào năm 1988 về việc lắng đọng các tế bào sinh học bằng phương pháp in phun [5]. Lịch sử phát triển của công nghệ in phun: Máy in đầu tiên trên thế giới được giới thiệu ở châu Âu vào khoảng những năm 1439 do xưởng in Johannes Gutenberg phát triển. Kỹ thuật được áp dụng tiêu tốn khá nhiều thời gian nhưng do hạn chế về công nghệ, máy in này vẫn tiếp tục được sử dụng trong vòng hàng trăm năm cho đến khi một kỹ thuật in tiên tiến hơn được phát triển vào năm 1883 do Savart giới thiệu. Theo phương pháp của Savart, mực in sẽ được phun ra từ các vòi phun và lắng đọng một cách chính xác lên đế.

Nhờ sự đóng góp của hai nhà khoa học Rayleigh và Plateau vào cuối những năm 1890, kỹ thuật in phun được giải thích một cách rõ ràng hơn về mặt lý thuyết. Đến những năm 1970 thì công nghệ in phun mới xuất hiện trên thị trường. Trong những thập niên đầu tiên, in phun được ứng dụng chủ yếu cho việc đánh dấu sản phẩm trong công nghiệp và in văn bản trên giấy, tuy nhiên gần đây công nghệ in phun còn được sử dụng trong chế tạo pin mặt trời và một số loại cảm biến sinh học, bởi khả năng in với tốc độ cao. Ban đầu, kỹ thuật in phun liên tục (continous inkjet, CIJ) được phát triển đầu tiên.

Đến cuối những năm 1980 đánh dấu sự phát triển của kỹ thuật in phun theo yêu cầu (drop on demand, DOD), bởi DOD có thể đạt được độ phân giải cao hơn nhiều so với CIJ [6].1: Lịch sử phát triển của công nghệ in phun [6]. So với các phương pháp chế tạo khác, kỹ thuật in mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, chẳng hạn như khả năng tạo mẫu có độ phân giải cao, không tiếp xúc trực tiếp với bề mặt của đế giúp tránh được các sai hỏng không mong muốn, chi phí sản xuất thấp, cho phép lắng đọng vật liệu lên trên nhiều loại bề mặt vật liệu đế khác nhau. Mặc dù công nghệ in phun cho nhiều ưu điểm như đã nhắc ở trên, nhưng vẫn còn tồn tại một số nhược điểm như [7,8]: (1) Chất lượng của mực in yêu cầu phải được kiểm soát chặt chẽ. Việc sử dụng loại mực in có tinh chất (độ nhớt, sức căng bề mặt,…) không phù hợp với máy in làm cho quá trình in phun diễn ra không ổn định, tắc dòng mực khi đang in.

Hơn nữa, việc trong mực chứa nhiều các hạt nano có kích thước lớn không hòa tan dẫn đến sự kết tụ làm tắc nghẽn vòi in phun. (2) Trong ứng dụng với quy mô lớn có tính lặp lại cao, tốc độ quá trình in phun sẽ thấp hơn nhiều so với các phương pháp in sử dụng khuôn.2 Phân loại các kỹ thuật in phun In phun cho phép tạo ra và lắng đọng các giọt mực lên trên bề mặt của đế. Tùy thuộc vào phương pháp phun ra giọt mực, công nghệ in phun được phân loại thành hệ thống in phun liên tục (CIJ) và phun theo yêu cầu (DOD). Sự khác biệt giữa hai kỹ thuật này là ở cách mực in đi ra từ vòi phun [9].

Thông thường, đường kính của giọt mực tạo ra có kích thước từ 10 - 100 µm, tương ứng với thể tích của giọt mực là 2 i 0. Tốc độ của giọt mực khi va chạm với bề mặt đế điển hình là 5 - 8 m.s-1 cho DOD và 10 - 30 m.1 Hệ thống in phun liên tục (CIJ) Trong in phun liên tục, dòng mực in được phun ra liên tục từ hộp mực thông qua các vòi phun. Sự phát triển của kỹ thuật CIJ bắt đầu từ những năm 1960 bởi Sweet ở trường đại học Stanford. Trong in phun CIJ, chất lỏng được đưa ra từ một vòi phun tạo ra một dòng liên tục với các giọt có kích thước và khoảng cách đồng đều nhau với tần số cao, bởi sự dao động của các tinh thể áp điện ( tinh thể piezo).

Do đó, in phun CIJ được ứng dụng rộng rãi trong ứng dụng đồ họa tốc độ cao như sử dụng trong công nghiệp cho việc đánh dấu, nhãn dán,. Bởi vì kỹ thuật CIJ tạo ra các giọt mực có kích thước lớn (khoảng 40μm), do đó độ phân giải khi sử dụng kỹ thuật này cho ra khá thấp so với phương pháp DOD. Ưu đểm của in phun liên tục đó là có thể dùng mực in dễ bay hơi, cho phép làm khô nhanh, độ bám dính phù hợp cho nhiều loại vật liệu đế. Tuy nhiên, có một bất lợi rất lớn đó là kỹ thuật CIJ được xem là một kỹ thuật không thân thiện với môi trường khi sử dụng mực in dễ bay hơi độc.2 minh họa phương thức in giọt mực lên đế bằng phương pháp in phun liên tục.

Các giọt mực được tạo ra liên tục thông qua vòi phun có tinh thể áp điện được điều khiển bởi hệ thống bơm áp lực lớn, chúng được tích điện bởi trường tĩnh điện và được cho đi qua trường lệch hướng để xác định vị trí giọt mực tiếp xúc với mặt đế. Các giọt mực không được tích điện trước đó, sẽ không được in lên bề mặt của đế, và sẽ được tập trung lại và sử dụng cho các quá trình in tiếp theo. Độ phân giải của đường in có thể đạt được khi áp dụng phương pháp này vào khoảng 10 pixel. Ngoài ra còn một phương pháp in phun liên tục khác nhưng lại ít phổ biến hơn, đó là các giọt mực đã được tích điện sẽ được thu lại thông qua ống hút, và sử dụng các giọt chưa tích điện để in lên bề mặt vật liệu 3 i Hình 1.2: Hình ảnh minh họa quá trình in phun sử dụng kỹ thuật CIJ, các giọt mực được tích điện sẽ in trực tiếp lên đế [11].2 Hệ thống in phun theo yêu cầu (DOD ) Kỹ thuật in phun DOD được tạo ra bởi Siemens vào năm 1977.

Trong hệ thống in phun DOD, các giọt mực được đẩy ra từ các vòi phun bởi áp suất tạo ra khi cần thiết. Độ chính xác cao và kích thước giọt nhỏ của máy in phun DOD là những lợi thế chính để tạo mẫu trực tiếp lên trên vật liệu đế. Mỗi đầu in DOD có thể chứa nhiều vòi phun, trong quá trình in mỗi vòi sẽ tạo ra một đường in lên trên đế. Các giọt mực riêng lẻ được đẩy ra từ đầu phun do sự thay đổi áp suất bên trong buồng.

Tùy thuộc vào cách tạo ra xung áp xuất, mà máy in phun theo yêu cầu có thể phân thành 3 loại chính: áp nhiệt, áp điện, tĩnh điện.  In phun áp nhiệt: Trong kỹ thuật in phun áp nhiệt, các giọt mực được tạo ra trong vài micro giây bằng cách làm nóng bộ phận áp nhiệt (điện trở) đặt trong buồng mực. Một dòng điện sẽ điện áp vào bộ phân áp nhiệt đặt trong buồng mực gần với vị trí vòi phun, nhiệt độ ở bên trong buồng mực tăng lên nhanh chóng và đạt đến một một mức nhiệt độ đủ để làm bay hơi mực in, nhằm tạo ra bong bóng khí và đẩy mực ra khỏi vòi in. Khi các giọt mực được đẩy ra thông qua các vòi in, khi đó sẽ xuất hiện một khoảng trống trong buồng mực và nhanh chóng được lấp đầy để sẵn sàng cho việc tạo ra các giọt mực tiếp theo.

Quá trình hình thành giọt mực sẽ được điều khiển thông qua dòng điện áp vào [8,11]. 4 i Nhược điểm của kỹ thuật in phun áp nhiệt là khó có thể điều khiển thể tích của giọt mực tạo ra và quá trình làm bay hơi mực in nhằm tạo bong bóng khí diễn ra trong buồng mực ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng mực in nếu sử dụng mực in sinh học (vì các chất sinh học dễ bị biến tính ở nhiệt độ cao).3: Nguyên lý hoạt động của đầu in phun áp nhiệt [8].  In phun tĩnh điện: Trong phương pháp in phun này, giọt mực phóng ra khỏi vòi phun được thực hiện nhờ lực tĩnh điện, bằng cách áp một điện cực ở vòi phun để hút các điện tích tự do có bên trong mực in chạy ra bề mặt của và sau đó dòng chất lỏng được tích diện được tách ra khỏi đầu máy in phun dưới dạng những giọt nhỏ. Không những vậy phương pháp in phun tĩnh điện còn có thể in các loại mực có độ nhớt cao.4: Hình ảnh minh họa đầu in phun tĩnh điện [8].

5 i  In phun áp điện: Trong kỹ thuật này, các giọt mực được phóng ra nhờ sự biến dạng của vật liệu áp điện khi áp thế vào. Bề mặt bên ngoài của vật liệu áp điện được phủ một lớp dẫn điện nhằm kết nối với dòng điện. Kích thước và tốc độ của các giọt mực được kiểm soát bởi thời gian xung và thế được áp vào. Đối với công nghệ in phun áp điện thì không có hạn chế về loại mực sử dụng.

polymer, dung dịch, huyền phù và các loại vật liệu sinh học đều được sử dụng làm mực in cho phương pháp này. Cùng với đó tuổi thọ của đầu in khá cao giúp giảm giá thành cho thiết bị chế tạo.5: Nguyên lý hoạt động của đầu in phun áp điện [8]. Một số tính chất của máy in phun áp điện:  Tốc độ, kích thước và hình dạng các giọt mực có thể điều chỉnh bằng dạng sóng của thế áp vào các vòi in phun.  Sự hình thành giọt mực và quá trình rơi của giọt mực in có thể quan sát thông qua camera.

 Đầu in có khả năng chịu nhiệt. Kết luận: Về mặt lý thuyết thì cả ba kỹ thuật in phun DOD kể trên đều cho phép nhỏ cẩnn thận giọt mực lên trên bề mặt đế và tiết kiệm lượng mực in sử dụng. Nhưng in phun DOD áp nhiệt cho thấy hiệu quả hơn cho các ứng dụng liên quan đến mực in sinh học.