Nghiên Cứu Hệ Thống Vi Bơm Tích Hợp Chức Năng Trộn Trong Y Sinh Học

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BẢNG CHÚ GIẢI CÁC KÝ HIỆU

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1. MỞ ĐẦU

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

1.2. Những vấn đề còn tồn tại

1.3. Mục tiêu nghiên cứu

1.4. Nội dung nghiên cứu

1.5. Phương pháp nghiên cứu

1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

1.7. Cấu trúc nội dung của luận án

2. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

2.1. Tổng quan về vi bơm

2.2. Vi bơm phi cơ học

2.3. Phần tử vòi phun/khuếch tán và chiến lược không dùng van

2.4. Vi bơm không van sử dụng cấu trúc vòi phun/khuếch tán

2.5. Bộ trộn vi lỏng

2.5.1. Bộ trộn vi lỏng thụ động

2.5.2. Bộ trộn vi lỏng chủ động

2.6. Một số công nghệ chế tạo vi bơm

3. ĐỀ XUẤT VI BƠM TÍCH HỢP CHỨC NĂNG TRỘN SỬ DỤNG CẤU TRÚC VÒI PHUN

3.1. Vi bơm kết hợp chức năng trộn sử dụng cấu trúc vòi phun

3.2. Cấu trúc vi bơm kết hợp chức năng trộn

3.3. Nguyên lý hoạt động của vi bơm đề xuất

3.4. Cảm biến điện dung và điện cực

3.5. Mô phỏng hoạt động của vi bơm đề xuất

3.5.1. Thiết lập mô phỏng chức năng bơm

3.5.2. Thiết lập mô phỏng chức năng trộn

3.5.3. Kết quả mô phỏng

3.5.4. Mô phỏng hoạt động của màng bơm PZT

3.5.5. Mô phỏng quá trình tương tác của chất lỏng trong vi bơm

3.5.6. Kết quả mô phỏng chức năng trộn

3.5.7. Tối ưu hóa cấu trúc vòi phun/khuếch tán

3.5.8. Kết quả mô phỏng cảm biến điện dung

4. CHẾ TẠO HỆ VI BƠM VÀ ĐIỀU KHIỂN

4.1. Chế tạo vi bơm tích hợp bộ trộn

4.2. Thiết kế thân vi bơm

4.3. Chế tạo thân vi bơm

4.4. Thông số màng PZT

4.5. Lắp ráp vi bơm tích hợp chức năng trộn

4.6. Mạch đo và xử lý dữ liệu

4.7. Thiết lập hệ đo

4.8. Thí nghiệm chức năng bơm

4.9. Thí nghiệm chức năng trộn

4.10. Thí nghiệm cảm biến điện dung

5. KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA VI BƠM

5.1. Thử nghiệm chức năng bơm

5.2. Thử nghiệm hiệu suất bơm với chất lỏng là nước

5.3. Thử nghiệm hiệu suất bơm với các chất lỏng khác

5.4. Thử nghiệm hiệu suất bơm với màng bơm có kích thước khác nhau

5.5. Thử nghiệm chức năng trộn

5.6. Trộn với chất lỏng nhuộm màu

5.7. Trộn với chất lỏng không hoà tan

5.8. Kết quả thử nghiệm cảm biến điện dung

5.9. Ứng dụng vi bơm cho thiết bị truyền dịch trong y tế

5.9.1. Thông số và chức năng của thiết bị

5.9.2. Sơ đồ khối mạch đo và điều khiển

5.9.3. Giao diện và kiểu dáng

5.9.4. Thử nghiệm thiết bị truyền dịch

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Vi Bơm Tích Hợp Trong Y Sinh Học

Công nghệ MEMS (MicroElectroMechanical Systems) đã mở ra một kỷ nguyên mới trong lĩnh vực y sinh học, đặc biệt là với sự ra đời của Microfluidics (Công nghệ vi lưu). Công nghệ này cho phép thiết kế và phát triển các thiết bị thu nhỏ tích hợp các chức năng như cảm biến, bơm, trộn, thao tác và kiểm soát lưu lượng chất lỏng ở quy mô cực nhỏ. Các ứng dụng chính của hệ thống vi lỏng bao gồm phân tích hóa học, cảm biến sinh học và hóa học, phân phối thuốc, phân tách phân tử, phân tích DNA, và theo dõi môi trường. Việc sử dụng MEMS cho mục đích sinh học (BioMEMS) đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu, đặc biệt trong việc chế tạo các hệ thống phân phối thuốc vi mô. Các thiết bị phân phối thuốc bằng kênh dẫn vi lỏng dựa trên MEMS đang được nghiên cứu rộng rãi, bao gồm các thiết bị thẩm thấu qua da bằng vi kim, các thiết bị sử dụng vi bơm, các thiết bị dùng bộ chứa vi mô và các thiết bị MEMS có thể phân hủy sinh học.

1.1. Ứng Dụng Vi Bơm Trong Phân Phối Thuốc Y Tế

Các phương pháp phân phối thuốc thông thường như đường uống, đường hít thở và đường tĩnh mạch có thể dẫn đến phân tán thuốc đến nhiều bộ phận khác của cơ thể, gây ra các tác dụng phụ không mong muốn. Lượng thuốc đưa vào cơ thể có thể không chính xác so với nhu cầu điều trị. Vi bơm cho phép phân phối thuốc đúng theo hàm lượng cụ thể, nằm giữa mức tối đa và tối thiểu mong muốn, giảm thiểu nguy cơ ngộ độc hoặc không có tác dụng điều trị. Thiết bị này có thể phối trộn nhiều loại thuốc với tỷ lệ chính xác, đáp ứng nhu cầu điều trị phức tạp. Một hệ thống phân phối thuốc tích hợp có thể bao gồm hệ thống vi bơm, hệ thống trộn, và hệ thống điều khiển chính xác.

1.2. Vai Trò Của Vi Bơm Trong Hệ Thống Xét Nghiệm Nhanh

Vi bơm và bộ trộn là những thiết bị thiết yếu trong các hệ thống vận chuyển chất lỏng như Vi hệ thống phân tích tổng hợp (µTAS), Hệ thống xét nghiệm tại chỗ (POCT) hoặc Hệ thống phòng thí nghiệm trên chip (LoC). Các thiết bị vi cơ này được sử dụng như một phần của hệ thống tích hợp xét nghiệm nhanh bằng một con chip bao gồm buồng chứa vi mô, vi kênh, vi bơm, bộ vi trộn và hệ thống vi cảm biến để vận chuyển chính xác các chất lỏng hóa học và sinh học ở mức vi mô. Hệ thống xét nghiệm nhanh tại giường bệnh dùng để tiến hành phân tích chẩn đoán tại chỗ nhằm cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe và cải thiện chất lượng cuộc sống tốt hơn.

II. Thách Thức Giải Pháp Cho Vi Bơm Tích Hợp Chức Năng Trộn

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc phát triển vi bơm tích hợp chức năng trộn vẫn còn nhiều thách thức. Các vi bơm và bộ trộn thường là các mô đun riêng biệt, dẫn đến kích thước thiết bị cồng kềnh và phức tạp trong chế tạo, ghép nối. Khi trộn hai hay nhiều thành phần chất lỏng, các hệ thống cần phải có số lượng bơm tương ứng với các kênh vào của bộ trộn, làm tăng giá thành và kích thước của hệ thống. Việc đo lường và tự động xác định nồng độ của hỗn hợp chất lỏng sau các bộ vi trộn bằng cảm biến vẫn là một bài toán mới, chưa có nhiều nghiên cứu. Các giải pháp vi bơm thường có hiệu suất chưa cao, bộ trộn chưa có khả năng điều khiển tự động tỷ lệ thành phần đầu ra. Do đó, cần nghiên cứu và đề xuất một thiết bị mới với các tính năng có thể khắc phục được những hạn chế này.

2.1. Vấn Đề Về Kích Thước và Độ Phức Tạp Của Hệ Thống

Việc tích hợp vi bơm và bộ trộn thành một hệ thống duy nhất là một thách thức lớn. Các thiết kế hiện tại thường sử dụng các mô-đun riêng biệt, làm tăng kích thước tổng thể và độ phức tạp của hệ thống. Điều này gây khó khăn trong việc chế tạo, lắp ráp và tích hợp vào các thiết bị y sinh học nhỏ gọn. Cần có các giải pháp thiết kế mới để giảm thiểu kích thước và độ phức tạp của hệ thống, đồng thời đảm bảo hiệu suất hoạt động.

2.2. Kiểm Soát Nồng Độ và Tỷ Lệ Trộn Tự Động

Một thách thức khác là kiểm soát chính xác nồng độ và tỷ lệ trộn của các chất lỏng trong vi bơm. Các hệ thống hiện tại thường thiếu khả năng đo lường và điều chỉnh tự động, dẫn đến sai số trong quá trình trộn. Cần phát triển các cảm biến và hệ thống điều khiển để đảm bảo nồng độ và tỷ lệ trộn được duy trì ở mức mong muốn, đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng y sinh học khác nhau.

III. Đề Xuất Vi Bơm Tích Hợp Chức Năng Trộn Dùng Vòi Phun

Luận án này đề xuất một hệ thống vi bơm không sử dụng van dựa trên cấu trúc vòi phun/khuếch tán (nozzle/diffuser) tích hợp đồng thời chức năng bơm và trộn. Việc thực hiện thành công luận án sẽ đem lại những kết quả nghiên cứu mới và là cơ sở cho định hướng, phát triển các sản phẩm ứng dụng trong y sinh học. Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế, chế tạo được một hệ vi bơm có chức năng trộn và tích hợp cảm biến điện dung có khả năng xác định môi trường lưu chất, đo nồng độ thành phần dung dịch ở đầu ra của thiết bị và hướng tới khả năng tự động điều chỉnh tỷ lệ trộn. Bước đầu ứng dụng được thiết bị này vào các công việc như phân tích hóa học, cảm biến sinh học và hóa học, phân phối thuốc, phân tách phân tử. Cụ thể là phát triển một thiết bị định hướng ứng dụng trong việc truyền dịch tại các bệnh viện.

3.1. Cấu Trúc Vòi Phun Khuếch Tán Trong Thiết Kế Vi Bơm

Cấu trúc vòi phun/khuếch tán là một yếu tố quan trọng trong thiết kế vi bơm không van. Cấu trúc này tạo ra sự khác biệt về áp suất giữa hai đầu của vi bơm, cho phép chất lỏng được bơm theo một hướng nhất định. Việc tối ưu hóa hình dạng và kích thước của vòi phun/khuếch tán là rất quan trọng để đạt được hiệu suất bơm cao và hiệu quả trộn tốt. Luận án này tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển các cấu trúc vòi phun/khuếch tán mới để cải thiện hiệu suất của vi bơm.

3.2. Tích Hợp Cảm Biến Điện Dung Để Đo Nồng Độ Dung Dịch

Việc tích hợp cảm biến điện dung vào vi bơm cho phép đo nồng độ của các chất lỏng trong thời gian thực. Cảm biến điện dung hoạt động dựa trên sự thay đổi điện dung của môi trường khi nồng độ chất lỏng thay đổi. Dữ liệu từ cảm biến điện dung có thể được sử dụng để điều khiển tự động tỷ lệ trộn của các chất lỏng, đảm bảo nồng độ cuối cùng đạt được mức mong muốn. Luận án này nghiên cứu và phát triển các cảm biến điện dung phù hợp để tích hợp vào vi bơm.

IV. Mô Phỏng Chế Tạo Hệ Thống Vi Bơm Tích Hợp Bộ Trộn

Luận án sử dụng phần mềm các phần tử hữu hạn (COMSOL) để tính toán, thiết kế, mô phỏng hoạt động của vi bơm và bộ trộn. Sau khi mô phỏng, nguyên mẫu vi bơm được chế tạo và tiến hành thực nghiệm khảo sát hoạt động của thiết bị. Cảm biến điện dung được chế tạo tích hợp tại kênh đầu ra của vi bơm. Hệ thống đo và điều khiển vi bơm được thiết kế và xây dựng. Các thử nghiệm được thực hiện để thu thập và phân tích dữ liệu, đánh giá và tối ưu thiết kế. Các phương pháp nghiên cứu được lựa chọn bao gồm phương pháp phân tích và tổng hợp, phương pháp mô hình hóa và mô phỏng, và phương pháp thực nghiệm.

4.1. Sử Dụng COMSOL Để Mô Phỏng Hoạt Động Vi Bơm

Phần mềm COMSOL được sử dụng để mô phỏng cơ chế hoạt động và quá trình làm việc của các cấu trúc và bộ phận trong hệ thống vi bơm. Mô phỏng giúp xác định các thông số thiết kế tối ưu và dự đoán hiệu suất của thiết bị trước khi chế tạo. Các kết quả mô phỏng được sử dụng để điều chỉnh thiết kế và cải thiện hiệu suất của vi bơm.

4.2. Chế Tạo Nguyên Mẫu Vi Bơm Bằng Công Nghệ In 3D

Công nghệ in 3D với độ phân giải cao được sử dụng để chế tạo các nguyên mẫu vi bơm. Công nghệ này cho phép tạo ra các cấu trúc phức tạp với độ chính xác cao, đáp ứng yêu cầu của thiết kế vi bơm. Các nguyên mẫu được sử dụng để thực hiện các thử nghiệm và đánh giá hiệu suất của thiết bị.

V. Khảo Sát Đánh Giá Hoạt Động Của Hệ Thống Vi Bơm Mới

Sau khi chế tạo, vi bơm được khảo sát và đánh giá hoạt động. Thử nghiệm chức năng bơm được thực hiện để xác định lưu lượng và áp suất bơm. Thử nghiệm chức năng trộn được thực hiện để đánh giá hiệu quả trộn của thiết bị. Thử nghiệm cảm biến điện dung được thực hiện để xác định khả năng đo nồng độ của cảm biến. Kết quả thử nghiệm được sử dụng để đánh giá và tối ưu thiết kế vi bơm. Ứng dụng vi bơm cho thiết bị truyền dịch trong y tế được nghiên cứu và phát triển.

5.1. Thử Nghiệm Hiệu Suất Bơm Với Các Loại Chất Lỏng

Hiệu suất bơm của vi bơm được thử nghiệm với các loại chất lỏng khác nhau, bao gồm nước và các dung dịch có độ nhớt khác nhau. Các thử nghiệm này giúp xác định ảnh hưởng của tính chất chất lỏng đến hiệu suất bơm và đánh giá khả năng của vi bơm trong việc xử lý các loại chất lỏng khác nhau.

5.2. Đánh Giá Khả Năng Trộn Của Vi Bơm Tích Hợp

Khả năng trộn của vi bơm được đánh giá bằng cách sử dụng các chất lỏng nhuộm màu và các chất lỏng không hòa tan. Các thử nghiệm này giúp xác định hiệu quả trộn của vi bơm và đánh giá khả năng của thiết bị trong việc tạo ra các hỗn hợp đồng nhất.

VI. Ứng Dụng Tương Lai Của Vi Bơm Tích Hợp Trong Y Sinh

Việc thiết kế, chế tạo được vi bơm không van có tích hợp chức năng trộn, bước đầu góp phần giải quyết một nhu cầu thực tiễn của con người hiện nay về vấn đề chẩn đoán, điều trị, phân phối thuốc nhanh và tự động, áp dụng được các thành tựu khoa học liên ngành Vật lý - Sinh học - Điện tử vào trong đời sống xã hội nước ta. Kết quả nghiên cứu của luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, sẽ có tác động tốt đến lĩnh vực khoa học chuyên môn, đặc biệt là trong các nghiên cứu về vi bơm không van nói riêng và các ứng dụng trong lĩnh vực y sinh nói chung.

6.1. Phát Triển Thiết Bị Truyền Dịch Cá Nhân Hóa

Vi bơm có thể được sử dụng để phát triển các thiết bị truyền dịch cá nhân hóa, cho phép cung cấp thuốc với liều lượng và thời gian chính xác theo nhu cầu của từng bệnh nhân. Các thiết bị này có thể được sử dụng để điều trị các bệnh mãn tính như tiểu đường và tim mạch.

6.2. Ứng Dụng Trong Chẩn Đoán Bệnh Tại Chỗ POCT

Vi bơm có thể được tích hợp vào các thiết bị chẩn đoán bệnh tại chỗ (POCT), cho phép thực hiện các xét nghiệm nhanh chóng và chính xác ngay tại giường bệnh hoặc tại nhà. Các thiết bị này có thể được sử dụng để phát hiện các bệnh truyền nhiễm, ung thư và các bệnh khác.

Nghiên Cứu Hệ Thống Vi Bơm Tích Hợp Chức Năng Trộn Sử Dụng Cấu Trúc Vòi Phun Định Hướng