Nghiên Cứu, Thiết Kế Cấu Trúc và Đánh Giá Khung In 3D Hỗ Trợ Trong Công Nghệ Mô

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc và đánh giá mức độ điền đầy cho khung in 3D trong công nghệ mô, mang lại giải pháp tối ưu cho sản xuất.

• Tác giả: Nguyễn Xuân Quý
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Kiên Trung
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế Cấu Trúc Và Đánh Giá Mức Độ Điền Đầy Cho Khung In 3D Hỗ Trợ Trong Công Nghệ Mô
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
• 1.1. Công nghệ mô sinh học
• 1.2. Khung hỗ trợ trong công nghệ mô sinh học
• 1.2.1. Vai trò của khung hỗ trợ
• 1.2.2. Đặc tính hình học của khung hỗ trợ
• 1.2.3. Tính thẩm thấu của khung hỗ trợ
• 1.2.4. Một số kết cấu khung hỗ trợ và đặc tính cơ bản
• 1.3. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CÁC MÔ HÌNH KHUNG VÀ XÁC ĐỊNH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐẶC TÍNH ĐIỀN ĐẦY CỦA KHUNG
• 2.1. Thiết kế các khung in
• 2.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới đặc tính điền đầy của khung
• 2.2.1. Độ xốp (Porosity)
• 3. CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ ĐIỀN ĐẦY CỦA KHUNG HỖ TRỢ
• 3.1. Chế tạo khung hỗ trợ
• 3.1.1. Thiết kế đường in
• 3.1.2. Vật liệu PCL
• 3.1.3. Khung hỗ trợ 3D
• 3.2. Thực nghiệm đánh giá tính điền đầy của khung
• 3.3. Kết quả thực nghiệm
• 3.3.1. Mức độ điền đầy
• 3.4. Kết luận chương 3
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu In 3D Trong Công Nghệ Mô Sinh Học

Công nghệ mô là một lĩnh vực liên ngành đầy hứa hẹn, tập trung vào việc tạo ra các mô và cơ quan nhân tạo để thay thế các bộ phận bị tổn thương. Bản chất của công nghệ mô là chế tạo khung hỗ trợ và cấy ghép tế bào cùng dưỡng chất lên đó, sau đó nuôi cấy trong môi trường sinh học. Khung hỗ trợ sinh học đóng vai trò quan trọng, là nơi tế bào sinh sôi và phát triển. Khả năng tương thích sinh học của vật liệu và khả năng điền đầy dung môi của khung ảnh hưởng lớn đến sự trao đổi chất và hình thành mô. Nghiên cứu này tập trung vào cấu trúc khung sinh học và đánh giá khả năng điền đầy dung môi, tạo cơ sở cho việc in các khung in sinh học phù hợp với nhiều loại mô khác nhau. Công nghệ này có ý nghĩa lớn trong việc nghiên cứu và chế tạo mô kỹ thuật tại Việt Nam. Theo nghiên cứu, công nghệ mô kết hợp ba yếu tố chính: tế bào, khung đỡ và tác nhân cơ sinh học hoặc sinh hóa.

1.1. Vai Trò Của Khung Hỗ Trợ Trong Công Nghệ Mô

Khung hỗ trợ, thường làm từ vật liệu sinh học tự phân hủy, đóng vai trò là nền tảng để tế bào gắn kết, tăng sinh và hình thành mô mới. Khung hỗ trợ với tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cao tạo điều kiện cho sự bám dính, tăng trưởng, di chuyển và biệt hóa của tế bào. Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc chế tạo và mô tả đặc tính của khung hỗ trợ cho các ứng dụng công nghệ mô. Khung hỗ trợ có ba đặc tính cơ bản: đặc tính hình học, cơ tính và đặc tính sinh học. Độ xốp và độ liên thông giữa các lỗ trong khung đóng vai trò quan trọng trong việc xâm nhập và liên kết tế bào để hình thành mô. Một khung hỗ trợ tốt cần đảm bảo sự cân bằng giữa các đặc tính này để tế bào xâm nhập và mạch máu hình thành.

1.2. Các Đặc Tính Hình Học Quan Trọng Của Khung In 3D

Khung hỗ trợ cần thể hiện ba đặc tính cơ bản: đặc tính hình học, cơ tính và đặc tính sinh học. Kết cấu của khung sinh học có thể ở dạng tấm mỏng, mảng, bọt xốp, sợi, lưới hoặc ống. Các kết cấu này được tạo hình bằng nhiều cách, nhưng chủ yếu là phương pháp truyền thống và phương pháp in 3D. Với công nghệ in 3D, các khung hỗ trợ được tạo ra dễ dàng kiểm soát được các đặc tính hình học, từ đó điều chỉnh được các đặc tính kỹ thuật và sinh học. Độ xốp vi mô và vĩ mô rất quan trọng đối với khả năng hấp thụ sinh học của vật liệu. Sự liên thông giữa các lỗ cũng là một đặc tính hình học quan trọng để đảm bảo sự phân tán hoạt chất sinh học và tế bào bên trong khung hỗ trợ.

II. Thách Thức Trong Thiết Kế Khung In 3D Cho Công Nghệ Mô

Mục tiêu của thiết kế khung in 3D là tạo ra cấu trúc hỗ trợ tạm thời, không chỉ hỗ trợ ba chiều cho sự phát triển và hình thành mô mà còn cung cấp môi trường sinh học cần thiết. Độ thấm thấu của khung hỗ trợ là một tham số quan trọng, thể hiện tốt nhất tất cả các đặc điểm hình học. Nó ảnh hưởng đến cách thức mà các chất dinh dưỡng và oxy phân tán qua khung xốp, ảnh hưởng đến hiệu quả cấy tế bào, sự thoái hóa của khung, nuôi cấy tế bào ba chiều và cuối cùng là sự hình thành xương. Giá trị tính thấm cao có thể cải thiện sự hình thành xương in vivo, trong khi giá trị thấp hơn cho phép nâng cao hiệu quả cấy tế bào lên khung. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc tối ưu hóa độ thấm thấu để đạt được sự cân bằng giữa các yếu tố này.

2.1. Ảnh Hưởng Của Cấu Trúc Lỗ Rỗng Đến Khả Năng Thẩm Thấu

Cấu trúc lỗ rỗng là một tham số quan trọng ảnh hưởng đến khung xương và đóng vai trò quan trọng trong các tính chất cơ học của quá trình di chuyển tế bào, hình thành mô bám dính và khuếch tán chất dinh dưỡng. Có nhiều thí nghiệm trong ống nghiệm về cấu trúc lỗ rỗng với các kết luận khác nhau và nhiều nghiên cứu chỉ giới hạn ở tế bào thí nghiệm. Các nghiên cứu đã mô tả một số loại khung hỗ trợ cơ bản dạng thẳng góc, dạng tam giác, lục giác và lượn sóng. Kết quả cho thấy mô-đun đàn hồi trượt của khung dạng lưới và lượn sóng tương tự nhau theo hướng x và y, cho thấy mô-đun đàn hồi trượt cao nhất so với các cấu trúc khác.

2.2. Tối Ưu Hóa Thiết Kế Để Cải Thiện Sự Phát Triển Xương

Nghiên cứu về cơ chế phát triển xương ở các cấu trúc khác nhau đã được chỉ ra bằng các thí nghiệm in vivo kết hợp với CFD. Kết quả cho thấy sự phát triển xương của đơn vị mạng tinh thể kim cương (DIA) là tốt nhất trong bốn kết cấu khung. Thông qua phân tích động lực học chất lỏng tính toán (CFD), tính thấm, vận tốc và quỹ đạo dòng chảy bên trong cấu trúc Khung đỡ đã được tính toán. Chênh lệch vận tốc chất lỏng bên trong cấu trúc DIA là nhỏ nhất và quỹ đạo của dòng chất lỏng bên trong Khung đỡ là dài nhất, có lợi cho sự phát triển của mạch máu, vận chuyển chất dinh dưỡng và hình thành xương.

III. Phương Pháp Thiết Kế Khung In 3D Tối Ưu Hóa Độ Điền Đầy

Dựa trên phương pháp mô hình hóa thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (CAD), công nghệ CAD đã được sử dụng để tạo ra các mô hình vi cấu trúc xốp với độ xốp và khả năng kết nối có thể kiểm soát được. Ưu điểm là xây dựng mô hình tương đối đơn giản, thuận tiện cho việc phân tích cơ học và có thể sử dụng công nghệ in 3D để hiện thực hóa mô hình một cách nhanh chóng. Do đó, nghiên cứu về khung xương xốp in 3D đã được thực hiện đáng kể trong những năm gần đây. Các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào việc thiết kế các khung xốp có kích thước lỗ rỗng, độ liên thông và đặc tính thẩm thấu phù hợp đối với sự trao đổi chất, nuôi cấy tế bào và hình thành mô xương.

3.1. Thiết Kế Cấu Trúc Khung Cơ Bản Và Các Biến Thể

Nghiên cứu này tập trung vào việc giữ nguyên kích thước lỗ và đánh giá ảnh hưởng của hình dáng lưới và sự sắp xếp của các lớp lưới đến mức độ điền đầy của khung hỗ trợ. Cấu trúc khung cơ bản kín có lỗ thông từ trên xuống, thành bên của các lỗ không có sự liên thông với nhau, đường in trùng nhau theo phương thẳng đứng, không có sự đan xen giữa các lớp. Cấu trúc này khiến cho dung môi trôi xuống dễ dàng, hạn chế sự bám dính của tế bào vào khung hỗ trợ, ảnh hưởng tới quá trình nuôi cấy mô.

3.2. Cải Thiện Tính Liên Thông Giữa Các Lỗ Trong Khung

Để tạo ra sự liên thông giữa các lỗ trong khung cơ bản, các đường in theo hướng ngang và dọc thay vì được in trên một lớp sẽ được in trên các lớp khác nhau. Khe hở giữa các lớp được tạo ra làm tăng tính liên thông của các lỗ. Các lỗ được liên thông hoàn toàn sẽ đảm bảo cho dung dịch nuôi cấy mang tế bào dễ dàng xâm nhập đến các vị trí của khung. Mặc dù cải thiện được tính liên thông của khung nhưng các lỗ vẫn có sự thông suốt từ trên xuống dưới làm cho tế bào khi nuôi cấy sẽ dễ bị trôi tuột từ trên xuống dưới đáy, làm giảm sự bám dính của tế bào trên bề mặt khung.

3.3. Giải Pháp Tạo Các Lớp Đan Xen Để Tăng Độ Bám Dính

Nghiên cứu này đã đề xuất ra giải pháp tạo các lớp đan xen. Qua đó với kết cấu khung vuông cơ bản, thay vì các lớp đều nhau từ trên xuống thì ở cấu trúc vuông dịch chỉnh, sau 2 lớp in đầu tiên, 2 lớp in tiếp theo sẽ được xê dịch đi một khoảng cách theo phương ngang và dọc làm cho các lớp đan xen với nhau. Nhìn từ lỗ lớp trên có thể thấy đường in lớp dưới, nên các lớp này dù liên thông với nhau nhưng hạn chế sự trôi của dung dịch nuôi cấy. Bên cạnh khung cơ bản dạng thẳng, khung dạng lượn sóng cũng được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng về hình dáng của lưới tới mức độ điền đầy của khung.

IV. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Đặc Tính Điền Đầy Của Khung

Độ xốp là tỉ lệ giữa thể tích phần lỗ rỗng hay khoảng trống nằm trong một khối chất hay vật liệu so với tổng thể tích của khối vật liệu đó. Độ rỗng được thể hiện bằng một số thập phân từ 0 đến 1, hoặc bằng tỉ lệ phần trăm từ 0% đến 100%. Độ xốp của mô hình CAD được tính toán dự trên thể tích của khung và thể tích tổng thể. Độ xốp của khung hỗ trợ được tính theo công thức.

4.1. Ảnh Hưởng Của Độ Xốp Đến Khả Năng Điền Đầy Dung Môi

Độ xốp của khung hỗ trợ được tính theo công thức. Trong đó là khối lượng của khung và là khối lượng riêng của vật liệu. Độ xốp của khung hỗ trợ có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi kích thước lỗ rỗng, khoảng cách giữa các sợi và số lượng lớp. Độ xốp cao hơn thường dẫn đến khả năng điền đầy dung môi tốt hơn, nhưng cũng có thể làm giảm độ bền cơ học của khung.

4.2. Tầm Quan Trọng Của Tính Liên Thông Giữa Các Lỗ Rỗng

Tính liên thông là khả năng kết nối giữa các lỗ rỗng trong khung. Tính liên thông cao cho phép dung môi và tế bào dễ dàng di chuyển qua khung, tạo điều kiện cho sự phát triển của mô. Tính liên thông có thể được cải thiện bằng cách thiết kế các lỗ rỗng có kích thước và hình dạng phù hợp, cũng như bằng cách sử dụng các kỹ thuật in 3D tiên tiến.

V. Đánh Giá Mức Độ Điền Đầy Của Khung Hỗ Trợ In 3D

Chương này trình bày về quá trình chế tạo khung hỗ trợ bằng công nghệ in 3D, sử dụng vật liệu PCL (Polycaprolactone). Các khung hỗ trợ được thiết kế với các cấu trúc khác nhau, bao gồm khung tròn cơ bản và khung chữ nhật cơ bản. Quá trình in được thực hiện với các thông số được tối ưu hóa để đảm bảo chất lượng và độ chính xác của khung. Sau khi in, các khung được đánh giá về tính điền đầy bằng cách sử dụng các phương pháp thực nghiệm.

5.1. Quy Trình Chế Tạo Khung Hỗ Trợ Bằng In 3D

Quá trình chế tạo khung hỗ trợ bắt đầu bằng việc thiết kế đường in cho khung tròn cơ bản và khung chữ nhật cơ bản. Vật liệu PCL được sử dụng do tính tương thích sinh học và khả năng phân hủy sinh học tốt. Các khung hỗ trợ 3D được in với các thông số như nhiệt độ, tốc độ in và chiều cao lớp được điều chỉnh để đạt được kết quả tốt nhất.

5.2. Thực Nghiệm Đánh Giá Tính Điền Đầy Của Khung

Thực nghiệm đánh giá tính điền đầy của khung được thực hiện bằng cách sử dụng một hệ thống đo mức độ điền đầy sử dụng camera tốc độ cao. Quá trình dung dịch điền vào khung được ghi lại và phân tích để xác định góc tiếp xúc và mức độ điền đầy của các khung cấu trúc khác nhau. Kết quả thực nghiệm cho thấy sự khác biệt đáng kể về tính điền đầy giữa các cấu trúc khung khác nhau.

VI. Kết Luận Và Xu Hướng Phát Triển Khung In 3D Tương Lai

Luận văn đã nghiên cứu tổng quan về công nghệ mô sinh học, tính cấp thiết của đề tài đối với ngành y học và các đặc tính cơ bản của khung hỗ trợ. Tính thẩm thấu của khung hỗ trợ không chỉ liên quan trực tiếp tới cơ tính và khả năng thẩm thấu của dương chất và trao đổi chất của khung. Kết cấu của khung hỗ trợ và đặc tính hình học và tính thẩm thấu của khung tương ứng với từng loại kết cấu có ý nghĩa quan trọng sẽ được tập trung nghiên cứu trong luận văn.

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Về Khung In 3D

Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng cấu trúc khung có ảnh hưởng lớn đến tính điền đầy và khả năng hỗ trợ tế bào. Các khung có cấu trúc liên thông và độ xốp cao thường có tính điền đầy tốt hơn. Tuy nhiên, cần có sự cân bằng giữa độ xốp và độ bền cơ học để đảm bảo khung có thể chịu được tải trọng trong quá trình nuôi cấy mô.

6.2. Hướng Phát Triển Của Công Nghệ In 3D Trong Y Học Tái Tạo

Công nghệ in 3D trong y học tái tạo đang phát triển mạnh mẽ và hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng trong tương lai. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các vật liệu in 3D mới có tính tương thích sinh học cao hơn, cũng như các kỹ thuật in 3D tiên tiến hơn để tạo ra các khung hỗ trợ phức tạp và chính xác hơn. Ngoài ra, việc tích hợp các yếu tố sinh học như tế bào và yếu tố tăng trưởng vào quá trình in 3D cũng là một hướng đi đầy tiềm năng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ mô sinh học là lĩnh vực nghiên cứu liên ngành nhằm phát triển hoặc tái tạo các mô và cơ quan nhân tạo, đóng vai trò quan trọng trong y học tái tạo và điều trị các tổn thương mô. Theo ước tính, nhu cầu về các mô kỹ thuật ngày càng tăng do sự gia tăng các bệnh lý mô và cơ quan, cũng như hạn chế trong nguồn hiến tạng. Trong đó, khung hỗ trợ sinh học là thành phần thiết yếu, đóng vai trò như "ngôi nhà" cho tế bào sinh trưởng và phát triển, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả hình thành mô kỹ thuật.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế cấu trúc và đánh giá mức độ điền đầy dung môi của khung in 3D hỗ trợ trong công nghệ mô, với phạm vi nghiên cứu tại Đại học Bách Khoa Hà Nội trong năm 2023. Mục tiêu cụ thể là xây dựng các mô hình khung với các cấu trúc khác nhau, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng như độ xốp, độ liên thông, góc tiếp xúc và độ thẩm thấu, từ đó xác định cấu trúc tối ưu cho khả năng điền đầy dung môi, góp phần nâng cao hiệu quả nuôi cấy mô.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ mô kỹ thuật tại Việt Nam, hỗ trợ tạo ra các mô kỹ thuật phù hợp với nhiều loại mô khác nhau, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng công nghệ in 3D trong y học tái tạo. Các chỉ số đánh giá như độ xốp đạt trung bình khoảng 57-59%, góc tiếp xúc và mức độ điền đầy dung môi được đo bằng hệ thống camera tốc độ cao, đảm bảo tính chính xác và thực tiễn của kết quả.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về công nghệ mô sinh học, đặc biệt tập trung vào vai trò và đặc tính của khung hỗ trợ sinh học trong nuôi cấy mô. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

1. Lý thuyết về khung sinh học (Scaffold Theory): Khung hỗ trợ được xem như ma trận ngoại bào nhân tạo, cung cấp môi trường 3D cho tế bào bám dính, tăng sinh và biệt hóa. Các đặc tính hình học như kích thước lỗ, độ xốp, độ liên thông và tính thẩm thấu ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển mô.

2. Mô hình cơ học và sinh học của khung hỗ trợ: Đặc tính cơ học (độ cứng, mô-đun đàn hồi) và đặc tính sinh học (tương thích sinh học, khả năng phân hủy) được cân bằng để đảm bảo khung vừa hỗ trợ cấu trúc mô vừa không cản trở quá trình trao đổi chất.

Các khái niệm chính bao gồm: độ xốp (porosity), độ liên thông (interconnectivity), góc tiếp xúc (contact angle), và độ thẩm thấu (permeability). Độ xốp thể hiện tỷ lệ thể tích lỗ rỗng so với tổng thể tích khung; độ liên thông phản ánh mức độ kết nối giữa các lỗ rỗng; góc tiếp xúc đánh giá tính ưa nước của bề mặt khung; độ thẩm thấu đo khả năng dung dịch và dưỡng chất đi qua khung.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp mô hình hóa CAD và in 3D để thiết kế và chế tạo các mẫu khung hỗ trợ với các cấu trúc khác nhau: vuông cơ bản, vuông dịch chỉnh, vuông đan xen, sóng cơ bản và sóng dịch chỉnh. Vật liệu sử dụng là Polycaprolactone (PCL) với các đặc tính sinh học và cơ học phù hợp.

Nguồn dữ liệu thu thập bao gồm:

• Đo đạc độ xốp dựa trên khối lượng và thể tích mẫu in.
• Đo góc tiếp xúc bằng kỹ thuật nhỏ giọt và camera độ phân giải cao.
• Đánh giá mức độ điền đầy dung dịch trong khung bằng hệ thống camera tốc độ cao ghi lại quá trình thẩm thấu.
• Thí nghiệm tính thấm sử dụng phương pháp falling-head và thiết bị đo áp suất, lưu lượng.

Cỡ mẫu gồm nhiều mẫu khung in 3D với kích thước 15x15x15 mm, được in với tốc độ 10 mm/s và gia tốc 1000 mm/s². Phương pháp chọn mẫu dựa trên thiết kế mô hình CAD với các tham số cấu trúc được điều chỉnh để đánh giá ảnh hưởng đến đặc tính điền đầy. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2023, với các giai đoạn thiết kế, chế tạo, thí nghiệm và phân tích dữ liệu.

Phân tích dữ liệu sử dụng các công thức tính độ xốp, độ liên thông, góc tiếp xúc và độ thẩm thấu dựa trên định luật Darcy, kết hợp phân tích hình ảnh từ video thí nghiệm để đánh giá mức độ điền đầy dung dịch.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Độ xốp của các cấu trúc khung: Độ xốp thực nghiệm của các khung in 3D dao động trong khoảng 57% đến 59%, trong đó khung vuông đan xen có độ xốp cao nhất trung bình 58.78%, khung vuông dịch chỉnh đạt 57.52%, và khung vuông cơ bản thấp nhất khoảng 57.2%. Sai số so với thiết kế lý tưởng nằm trong khoảng 3-5% do sự giao thoa giữa các lớp in.

2. Góc tiếp xúc của các khung: Góc tiếp xúc đo được cho thấy các khung có tính ưa nước, với góc tiếp xúc nhỏ hơn 90°, tạo điều kiện thuận lợi cho dung dịch và tế bào thẩm thấu vào khung. Các khung có cấu trúc sóng dịch chỉnh và vuông đan xen thể hiện góc tiếp xúc thấp hơn, cho thấy khả năng hấp thụ dung dịch tốt hơn.

3. Mức độ điền đầy dung dịch: Qua thí nghiệm sử dụng camera tốc độ cao, khung vuông đan xen và sóng cơ bản có thời gian điền đầy nhanh nhất, với chiều sâu thấm đạt khoảng 6-8 mm sau 60 giây. Ngược lại, khung vuông dịch chỉnh có thời gian điền đầy lâu nhất, do cấu trúc lỗ rỗng đan xen làm dòng chảy dung dịch chậm và phân bố đều hơn.

4. Xu hướng dòng chảy trong khung: Dung dịch trong khung vuông cơ bản và sóng cơ bản di chuyển thẳng từ trên xuống dưới, giúp thẩm thấu sâu. Khung vuông dịch chỉnh có dòng chảy dạng tam giác ngược, làm chậm tốc độ thẩm thấu nhưng phân bố dung dịch đều hơn. Khung vuông đan xen có dòng chảy lan rộng trên bề mặt, hạn chế thẩm thấu sâu.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy cấu trúc khung ảnh hưởng rõ rệt đến đặc tính điền đầy dung dịch, từ đó ảnh hưởng đến khả năng nuôi cấy và phát triển mô. Độ xốp cao và độ liên thông tốt giúp tăng khả năng thẩm thấu và vận chuyển dưỡng chất, phù hợp với yêu cầu của công nghệ mô sinh học. Góc tiếp xúc nhỏ thể hiện tính ưa nước của vật liệu PCL và cấu trúc bề mặt, tạo điều kiện thuận lợi cho tế bào bám dính.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với lý thuyết về ảnh hưởng của cấu trúc lỗ rỗng và tính thẩm thấu đến sự phát triển mô. Việc sử dụng công nghệ in 3D cho phép kiểm soát chính xác các tham số cấu trúc, từ đó tối ưu hóa đặc tính khung hỗ trợ. Biểu đồ chiều sâu thấm và bán kính thấm theo thời gian minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa các cấu trúc, giúp trực quan hóa hiệu quả điền đầy.

Những phát hiện này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế khung hỗ trợ phù hợp cho từng loại mô kỹ thuật, góp phần nâng cao hiệu quả điều trị và ứng dụng trong y học tái tạo.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa cấu trúc khung in 3D: Khuyến nghị sử dụng cấu trúc vuông đan xen hoặc sóng cơ bản để đạt mức độ điền đầy dung dịch nhanh và sâu, cải thiện hiệu quả nuôi cấy mô. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, do các nhóm nghiên cứu và nhà sản xuất vật liệu sinh học.

2. Điều chỉnh độ xốp và độ liên thông: Đề xuất thiết kế khung với độ xốp khoảng 58% và độ liên thông cao để cân bằng giữa khả năng thẩm thấu và tính cơ học. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư thiết kế và nhà nghiên cứu vật liệu, áp dụng trong 3-4 tháng.

3. Sử dụng vật liệu PCL kết hợp nhóm calcium phosphate: Để tăng khả năng bám dính tế bào và tăng sinh, nên phối hợp PCL với các vật liệu sinh học khác, nâng cao tính tương thích sinh học. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm khoảng 1 năm, do các phòng thí nghiệm chuyên ngành.

4. Phát triển hệ thống đo lường tự động: Áp dụng hệ thống camera tốc độ cao và phần mềm phân tích hình ảnh để đánh giá mức độ điền đầy và góc tiếp xúc chính xác, hỗ trợ quá trình kiểm soát chất lượng khung in. Chủ thể là các nhóm kỹ thuật và công nghệ thông tin, triển khai trong 6 tháng.

Các giải pháp trên nhằm nâng cao chất lượng khung hỗ trợ trong công nghệ mô, góp phần thúc đẩy ứng dụng thực tiễn và phát triển ngành y học tái tạo tại Việt Nam.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu công nghệ mô sinh học: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình thiết kế khung hỗ trợ, giúp nghiên cứu phát triển các mô kỹ thuật mới với cấu trúc tối ưu.

2. Kỹ sư và chuyên gia in 3D trong y sinh: Tham khảo các phương pháp thiết kế và chế tạo khung in 3D, cũng như các tham số kỹ thuật quan trọng để ứng dụng trong sản xuất mô hình sinh học.

3. Bác sĩ và chuyên gia y học tái tạo: Hiểu rõ về vai trò và đặc tính của khung hỗ trợ trong nuôi cấy mô, từ đó áp dụng hiệu quả trong điều trị và phát triển các phương pháp điều trị mới.

4. Nhà sản xuất vật liệu sinh học: Nắm bắt các yêu cầu về vật liệu và cấu trúc khung hỗ trợ, từ đó phát triển các loại vật liệu phù hợp với công nghệ mô và in 3D.

Mỗi nhóm đối tượng có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả công việc, từ nghiên cứu cơ bản đến ứng dụng lâm sàng và sản xuất công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Khung hỗ trợ sinh học là gì và tại sao quan trọng?
   Khung hỗ trợ sinh học là cấu trúc 3D mô phỏng ma trận ngoại bào, cung cấp môi trường cho tế bào bám dính và phát triển. Nó quan trọng vì ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành và chức năng của mô kỹ thuật.

2. Độ xốp và độ liên thông ảnh hưởng thế nào đến nuôi cấy mô?
   Độ xốp cao giúp tăng không gian cho tế bào và dưỡng chất, trong khi độ liên thông cao đảm bảo sự kết nối giữa các lỗ rỗng, tạo điều kiện cho dòng chảy và trao đổi chất hiệu quả.

3. Tại sao sử dụng PCL làm vật liệu in 3D?
   PCL có tính tương thích sinh học tốt, phân hủy sinh học chậm, độ dẻo dai cao và khả năng kết hợp với các vật liệu khác, phù hợp cho ứng dụng trong công nghệ mô và in 3D.

4. Làm thế nào để đo mức độ điền đầy dung dịch trong khung?
   Sử dụng hệ thống camera tốc độ cao ghi lại quá trình dung dịch thẩm thấu vào khung, kết hợp phân tích hình ảnh để xác định chiều sâu và bán kính thấm theo thời gian.

5. Cấu trúc khung nào tối ưu cho công nghệ mô?
   Nghiên cứu cho thấy cấu trúc vuông đan xen và sóng cơ bản có khả năng điền đầy dung dịch nhanh và sâu nhất, phù hợp cho việc nuôi cấy và phát triển mô kỹ thuật.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế và chế tạo thành công các mẫu khung in 3D với các cấu trúc khác nhau, sử dụng vật liệu PCL phù hợp cho công nghệ mô sinh học.
• Độ xốp thực nghiệm đạt khoảng 57-59%, với khung vuông đan xen có độ xốp cao nhất, đảm bảo khả năng thẩm thấu và nuôi cấy tế bào.
• Góc tiếp xúc và mức độ điền đầy dung dịch được đo chính xác bằng hệ thống camera tốc độ cao, cho thấy cấu trúc ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả thẩm thấu.
• Cấu trúc vuông đan xen và sóng cơ bản được xác định là tối ưu cho khả năng điền đầy dung dịch, hỗ trợ phát triển mô kỹ thuật hiệu quả.
• Đề xuất các giải pháp tối ưu hóa cấu trúc và vật liệu, đồng thời phát triển hệ thống đo lường tự động để nâng cao chất lượng khung hỗ trợ trong công nghệ mô.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ mở rộng ứng dụng các cấu trúc này trong nuôi cấy tế bào thực tế và thử nghiệm in vivo, đồng thời phát triển vật liệu composite nâng cao tính năng khung hỗ trợ. Các nhà nghiên cứu và chuyên gia trong lĩnh vực công nghệ mô được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm dựa trên kết quả này để thúc đẩy ngành y học tái tạo tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 đã nghiên cứu tổng quan về công nghệ mô sinh học, tính cấp thiết của đề tài đối với ngành y học và các đặc tính cơ bản của khung hỗ trợ. Tính thẩm thấu của khung hỗ trợ không chỉ liên quan trực tiếp tới cơ tính và khả năng thẩm thấu của dương chất và trao đổi chất của khung Kết cấu của khung hỗ trợ và đặc tính hình học và tính thẩm thấu của khung tương ứng với từng loại kết cấu có ý nghĩa quan trọng sẽ được tập trung nghiên cứu trong luận văn. XÂY DỰNG CÁC MÔ HÌNH KHUNG VÀ XÁC ĐỊNH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐẶC TÍNH ĐIỀN ĐẦY CỦA KHUNG 2.1 Thiết kế các khung in Dựa trên phương pháp mô hình hóa thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (CAD), công nghệ CAD đã được sử dụng để tạo ra các mô hình vi cấu trúc xốp với độ xốp và khả năng kết nối có thể kiểm soát được. Ưu điểm là xây dựng mô hình tương đối đơn giản, thuận tiện cho việc phân tích cơ học và có thể sử dụng công nghệ in 3D để hiện thực hóa mô hình một cách nhanh chóng.

Do đó, nghiên cứu về khung xương xốp in 3D đã được thực hiện đáng kể trong những năm gần đây. Các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào việc thiết kế các khung xốp có kích thước lỗ rỗng, độ liên thông và đặc tính thẩm thấu phù hợp đối với sự trao đổi chất, nuôi cấy tế bào và hình thành mô xương. Trong nghiên cứu này, kích thước lỗ được giữ nguyên, hình dáng của lưới cũng như là sự sắp xếp của các lớp lưới được quan tâm và đánh giá xem ảnh hưởng của kết cấu tới mức độ điền đầy của khung hỗ trợ.1 mô tả cấu trúc của khung cơ bản kín với lỗ thông từ trên xuống, thành bên của các lỗ không có sự liên thông với nhau, đường in trùng nhau theo phương thẳng đứng, không có sự đan xen giữa các lớp. Cấu trúc này khiến cho dung môi trôi xuống dễ dàng, hạn chế sự bám dính của tế bào vào khung hỗ trợ, ảnh hưởng tới quá trình nuôi cấy mô.1 Cấu trúc khung cơ bản kín 10 Chính vì vậy, để tạo ra sự liên thông giữa các lỗ trong khung cơ bản, các đường in theo hướng ngang và dọc thay vì được in trên một lớp sẽ được in trên các lớp khác nhau.

Khe hở giữa các lớp được tạo ra làm tăng tính liên thông của các lỗ. Các lỗ được liên thông hoàn toàn sẽ đảm bảo cho dung dịch nuôi cấy mang tế bào dễ dàng xâm nhập đến các vị trí của khung. Mặc dù cải thiện được tính liên thông của khung nhưng các lỗ vẫn có sự thông suốt từ trên xuống dưới làm cho tế bào khi nuôi cấy sẽ dễ bị trôi tuột từ trên xuống dưới đáy, làm giảm sự bám dính của tế bào trên bề mặt khung.2 Cấu trúc khung vuông cơ bản Hình 2.3 Cấu trúc khung vuông dịch chỉnh Nghiên cứu này đã đề xuất ra giải pháp tạo các lớp đan xen. Qua đó với kết cấu khung vuông cơ bản, thay vì các lớp đều nhau từ trên xuống thì ở cấu trúc vuông dịch chỉnh, sau 2 lớp in đầu tiên, 2 lớp in tiếp theo sẽ được xê 11 dịch đi một khoảng cách theo phương ngang và dọc làm cho các lớp đan xen với nhau.

Nhìn từ lỗ lớp trên có thể thấy đường in lớp dưới, nên các lớp này dù liên thông với nhau nhưng hạn chế sự trôi của dung dịch nuôi cấy. Bên cạnh khung cơ bản dạng thẳng, khung dạng lượn sóng cũng được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng về hình dáng của lưới tới mức độ điền đầy của khung. Bốn loại kết cấu khung hỗ trợ được sử dụng cho khảo sát này, các kết cấu này có kích thước của đường in như nhau nhưng kích thước lỗ và cách bố trí lỗ khác nhau cụ thể như sau. a) Khung cấu trúc vuông cơ bản b) Khung cấu trúc vuông dịch chỉnh c) Khung cấu trúc sóng cơ bản d) Khung cấu trúc sóng dịch chỉnh Hình 2.4 Các cấu trúc khung 12 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới đặc tính điền đầy của khung 2.1 Độ xốp (Porosity) Độ xốp là tỉ lệ giữa thể tích phần lỗ rỗng hay khoảng trống nằm trong một khối chất hay vật liệu so với tổng thể tích của khối vật liệu đó.

Độ rỗng được thể hiện bằng một số thập phân từ 0 đến 1, hoặc bằng tỉ lệ phần trăm từ 0% đến 100% Độ xốp của mô hình CAD được tính toán dự trên thể tích của khung và thể tích tổng thể qua công thức sau: 𝑉𝑉𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 PT 2.1 𝑃𝑃𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = �1 − � × 100% 𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 trong đó 𝑉𝑉𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 là thể tích vật thể rắn và 𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 là thể tích tổng cộng của khung 𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 = 𝑆𝑆𝑥𝑥 × 𝑆𝑆𝑦𝑦 × 𝑆𝑆𝑧𝑧 PT 2.2 Độ xốp của khung hỗ trợ được tính theo công thức sau: 𝑚𝑚𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 PT 2.4 𝑃𝑃𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 = �1 − � × 100% 𝜌𝜌𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 trong đó 𝑚𝑚𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 là khố lượng khung, 𝑣𝑣𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 là thể tích bao của khung, 𝜌𝜌𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 là khối lượng riêng của vật liệu làm khung, 𝜌𝜌𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 là khối lượng riêng của khung, 𝑃𝑃𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 là độ xốp của khung. Tham số thiết kế là tham số dùng để thiết kế và là cơ sở của lập trình tạo mô hình khung. Thay vì lập trình theo giá trị thực thì việc lập trình sẽ thiết lập theo các tham số. Sau khi lập trình, người dùng chỉ việc thay đổi tham số thì mô hình sẽ thay đổi.1 mô tả các tham số thiết kế tương ứng với các loại khung 13 Bảng 2.1 Tham số thiết kế khung Loại khung Thông số Ý nghĩa Khung cơ sx Kích thước khung theo X bản/khung lượn sy Kích thước khung theo Y sóng sz Kích thước khung theo Z d Kích thước đường in p Kích thước lỗ ∆𝑥𝑥 Khoảng dịch chỉnh theo X ∆𝑦𝑦 Khoảng dịch chỉnh theo Y a) Khung cấu trúc vuông cơ bản Khung cấu trúc vuông cơ bản sử dụng các line dạng đường thẳng theo phương X, Y Hình 2.5 Cấu trúc và tham số khung vuông cơ bản 𝜋𝜋𝑑𝑑 2 PT 2.5 𝑉𝑉𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 1 = �𝑆𝑆 𝑆𝑆 𝐿𝐿 + 𝑆𝑆𝑦𝑦 𝐿𝐿𝑦𝑦 𝑆𝑆𝑥𝑥 � 4(𝑑𝑑 + 𝑝𝑝)2 𝑦𝑦 𝑥𝑥 𝑥𝑥 trong đó 𝐿𝐿𝑥𝑥 , 𝐿𝐿𝑦𝑦 lần lượt là số lớp in theo phương X, Y 14 b) Khung cấu trúc vuông dịch chỉnh Cấu trúc 2 tương tự cấu trúc 1, có sự so le ∆𝑥𝑥 , ∆𝑦𝑦 sau mỗi 2 lớp cơ bản Hình 2.6 Cấu trúc và tham số khung vuông dịch chỉnh 𝑉𝑉𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 2 = 𝐿𝐿𝑥𝑥 × 𝑉𝑉𝑥𝑥 + 𝐿𝐿𝑦𝑦 × 𝑉𝑉𝑦𝑦 + 𝐿𝐿𝑥𝑥′ × 𝑉𝑉𝑥𝑥′ + 𝐿𝐿𝑦𝑦′ × 𝑉𝑉𝑦𝑦′ PT 2.6 Trong đó 𝐿𝐿𝑥𝑥 , 𝐿𝐿𝑦𝑦 , 𝐿𝐿𝑥𝑥′ , 𝐿𝐿𝑦𝑦′ lần lượt là số lớp theo phương X,Y cơ bản và dịnh chỉnh; 𝑉𝑉𝑥𝑥 , 𝑉𝑉𝑦𝑦 , 𝑉𝑉𝑥𝑥′ , 𝑉𝑉𝑦𝑦′ lần lượt là thể tích lớp theo phương X,Y cơ bản và dịnh chỉnh, được tính như sau: 𝜋𝜋𝑑𝑑 2 𝑆𝑆𝑥𝑥 𝑆𝑆𝑦𝑦 PT 2.10 𝑉𝑉𝑦𝑦′ = 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 � � 4 𝑑𝑑 + 𝑝𝑝 15 c) Khung cấu trúc sóng cơ bản Cấu trúc sử dụng line dạng đường cong có đường kính cơ sở D, khoảng cách giữa các line p (trường hợp này p = D) Hình 2.7 Cấu trúc và tham số khung sóng cơ bản 𝑆𝑆𝑧𝑧 𝑆𝑆𝑦𝑦 − 𝑑𝑑 𝑆𝑆𝑥𝑥 − 𝑑𝑑 𝜋𝜋D 𝜋𝜋𝑑𝑑 2 PT 2.11 𝑉𝑉𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 3 = × × × × 𝑑𝑑 𝐷𝐷 𝐷𝐷 2 4 d) Khung cấu trúc sóng dịch chỉnh Cấu trúc khung sóng dịch chỉnh tương tự cấu trúc sóng cơ bản, có sự so le sau mỗi 3 lớp cơ bản Hình 2.8 Cấu trúc và tham số khung sóng dịch chỉnh Tuy có sự so le về lớp nhưng thể tích vật rắn của cấu trúc sóng dịch chỉnh lại bằng thể tích vật rắn của cấu trúc sóng cơ bản.2 Tham số khung kiểm nghiệm Sx (mm) Sy (mm) Sz (mm) d (mm) p (mm) D (mm) 3.3 So sánh kết quả kiểm nghiệm Vuông cơ bản Vuông dịch chỉnh Sóng cơ bản Sóng dịch chỉnh Công Công Công Công CAD CAD CAD CAD thức thức thức thức Vsolid 20.2 Tính liên thông (Interconnectivity) Khung đỡ cần có cấu trúc xốp với khả năng liên kết cao để cho phép tế bào xâm nhập, dòng chất dinh dưỡng và tích hợp vật liệu trong mô chủ.

Độ liên thông thấp hạn chế sự xâm nhập của tế bào do các lỗ rỗng (được đánh dấu *) và không thể tiếp cận (được đánh dấu bằng #), trong khi độ liên thông cao hơn giúp tăng cường tính thấm và xâm nhập tế bào.9 Tầm quan trọng của sự liên kết trong thiết kế Khung đỡ, (a) độ liên thông thấp, (b) độ liên thông cao Tuy nhiên, mức độ liên kết được tính bằng cách chia kích thước cửa sổ trung bình cho kích thước lỗ trung bình (d/D). Tuy nhiên, vì con số này 17 không đưa ra bất kỳ dấu hiệu nào về số lượng cửa sổ, một định nghĩa thay thế về mức độ mở, được đề xuất tính bằng cách chia diện tích bề mặt mở của lỗ rỗng cho tổng diện tích bề mặt của lỗ rỗng.13 𝐼𝐼 = 𝐴𝐴 Trong đó I độ liên thông, S là diện tíc bề mặt liên kết của lỗ trống, A là tổng diện tích bề mặt lỗ trống Mặc dù độ xốp cao là mong muốn để tế bào thẩm thấu tốt hơn trong khung đỡ, nhưng có một mối quan hệ gián tiếp giữa độ xốp và tính chất cơ học của bọt xốp. Tương tự, mức độ kết nối cao hơn dẫn đến diện tích mở lớn hơn trong các bức tường và dẫn đến tính toàn vẹn cấu trúc thấp hơn.3 Góc tiếp xúc (Contact angle) Góc tiếp xúc (còn được gọi là góc thấm ướt) được hình thành khi một giọt chất lỏng được đặt trên bề mặt vật liệu. Sức căng bề mặt của chất lỏng và lực hút của chất lỏng lên bề mặt làm cho giọt nước tạo thành hình vòm.10 Cơ chế bề mặt của trạng thái kỵ nước và ưa nước Tính kỵ nước và ưa nước là một tính chất khác của các polyme khác nhau.

Do tính chất này, polyme có thể được sử dụng cho các ứng dụng khác nhau. Nếu góc tiếp xúc giữa bề mặt và giọt lớn hơn 90°, thì bề mặt đó được gọi là bề mặt kỵ nước. Đối với bề mặt siêu kỵ nước, góc tiếp xúc phải lớn hơn 150°, trong trường hợp như vậy, giọt nước có dạng hình cầu và cuộn trên bề mặt. Góc tiếp xúc có thể tăng lên với độ nhám của bề mặt và không 18 khí bị giữ lại giữa nước và bề mặt.

Ở bề mặt siêu kỵ nước, độ bám giữa bề mặt và hạt bụi bẩn nhỏ hơn độ bám giữa hạt và giọt nước; kết quả là hạt bị giữ lại bởi giọt nước, dẫn đến việc làm sạch bề mặt như được đề cập trong Hình 2.