Luận văn thạc sĩ về công nghệ FDM trong chế tạo sản phẩm y sinh

Khám phá luận văn thạc sĩ về công nghệ chế tạo máy, ứng dụng công nghệ FDM trong sản xuất sản phẩm y sinh, mang lại tiềm năng lớn cho ngành y tế.

• Tác giả: Nguyễn Bửu Lâm
• Người hướng dẫn: PGS. Đặng Văn Nghìn
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Công Nghệ FDM Trong Chế Tạo Sản Phẩm Y Sinh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. HCM

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM KẾT
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.1. GIỚI THIỆU VỀ CÁC SẢN PHẨM Y SINH
• 1.2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 1.3. MỤC TIÊU LUẬN VĂN
• 1.4. NỘI DUNG LUẬN VĂN
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ GIÀN GIÁO MÔ
• 2.1. TỔNG QUAN VỀ GIÀN GIÁO MÔ
• 2.1.1. Nền tảng về kĩ thuật mô
• 2.1.2. Ma trận ngoại bào
• 2.1.3. Nền tảng về giàn giáo mô
• 2.1.4. Cấu trúc và tính chất giàn giáo mô
• 2.2. VẬT LIỆU SINH HỌC TRONG CHẾ TẠO GIÀN GIÁO MÔ
• 2.2.1. Polymer tổng hợp
• 2.2.2. Polymer tự nhiên
• 2.2.2.1. Polymer dựa trên protein
• 2.2.2.2. Polymer dựa trên carbohydrate
• 2.3. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO GIÀN GIÁO MÔ
• 2.3.1. Kĩ thuật chế tạo thông thường
• 2.3.1.1. Đông khô nhũ tương (Emulsion Freeze-drying)
• 2.3.2. Kĩ thuật tạo mẫu nhanh
• 2.3.2.1. Công nghệ FDM
• 2.3.2.2. Công nghệ 3D Printing (3DP)
• 2.3.2.3. Công nghệ SLA (Stereolithography)
• 2.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
• 2.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 2.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ SẢN PHẨM Y SINH BẰNG KĨ THUẬT NGƯỢC
• 3.1. NGUYÊN LÍ CƠ BẢN CỦA KĨ THUẬT NGƯỢC
• 3.2. CÁC BƯỚC THIẾT KẾ SẢN PHẨM Y SINH BẰNG KĨ THUẬT NGƯỢC
• 3.2.1. Giai đoạn quét hình
• 3.2.1.1. Quét dạng tiếp xúc
• 3.2.1.2. Quét dạng không tiếp xúc
• 3.2.2. Xử lí dữ liệu
• 3.2.2.1. Dữ liệu là đám mây điểm hoặc lưới đa giác
• 3.2.2.2. Dữ liệu là lát cắt 2D
• 3.2.3. Giai đoạn ứng dụng
• 3.3. PHẦN MỀM KĨ THUẬT NGƯỢC
• 3.3.1. Phần mềm kĩ thuật ngược chuyên dụng
• 3.3.2. Phần mềm CAD thông dụng tích hợp module khôi phục lại bề mặt
• 3.3.3. Phần mềm chuyên xử lí ảnh y học
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 4.1. CẤU TẠO TIM, MŨI NGOÀI
• 4.1.1. Cấu tạo tim
• 4.1.2. Cấu tạo mũi ngoài
• 4.2. CÁC THÀNH PHẦN CẦN THIẾT KHI TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM
• 4.3. Phương pháp
• 4.3.1. Quét khuôn mặt của tình nguyện viên
• 4.3.2. Xử lí dữ liệu
• 4.3.3. Tạo mẫu nhanh mũi nhân tạo
• 4.4. Phương pháp
• 4.4.1. Xử lí dữ liệu
• 4.4.2. Tạo mẫu nhanh
• 4.4.3. Tạo bộ khuôn thạch cao
• 4.4.4. Đúc mũi giả bằng vật liệu silicon
• 4.5. Phương pháp
• 4.5.1. Xử lí dữ liệu
• 4.5.2. Tạo mẫu nhanh giàn giáo tim
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. NHỮNG VẤN ĐỀ ĐÃ THỰC HIỆN
• 5.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu đề tài

Đề tài "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ FDM trong chế tạo sản phẩm y sinh" được thực hiện nhằm mục đích nghiên cứu và phát triển các sản phẩm y sinh, đặc biệt là trong lĩnh vực cấy ghép mô và cơ quan. Công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling) đã được áp dụng để cải thiện quy trình chế tạo giàn giáo mô, một yếu tố quan trọng trong kỹ thuật mô. Các sản phẩm y sinh được chế tạo không chỉ giúp duy trì sự sống mà còn phục hồi thẩm mỹ cho bệnh nhân. Việc áp dụng công nghệ FDM vào chế tạo sản phẩm y sinh mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các sản phẩm y tế, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội.

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Sự phát triển của công nghệ y sinh đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu và các tổ chức y tế. Công nghệ FDM được xem là một trong những giải pháp tiềm năng để cải thiện quy trình chế tạo giàn giáo mô. Trong bối cảnh nhu cầu cấy ghép mô và cơ quan ngày càng gia tăng, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ này là rất cần thiết. Đặc biệt, tại Việt Nam, các nghiên cứu về ứng dụng công nghệ FDM trong chế tạo sản phẩm y sinh còn hạn chế. Do đó, đề tài này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn mang lại những ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực y tế.

II. Tổng quan về giàn giáo mô

Giàn giáo mô đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật mô, hoạt động như ma trận ngoại bào nhân tạo, hỗ trợ cho sự phát triển và biệt hóa của tế bào. Việc chế tạo giàn giáo mô có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, trong đó công nghệ FDM nổi bật nhờ khả năng kiểm soát vi cấu trúc và phân bố tế bào. Các vật liệu sinh học được sử dụng trong chế tạo giàn giáo mô cũng rất đa dạng, bao gồm cả polymer tự nhiên và tổng hợp. Việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu này là cần thiết để cải thiện tính tương thích sinh học và độ bền của giàn giáo mô. Các nghiên cứu hiện tại cho thấy rằng việc ứng dụng công nghệ FDM trong chế tạo giàn giáo mô có thể mang lại những tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực y sinh.

2.1 Các kĩ thuật chế tạo giàn giáo mô

Có nhiều kĩ thuật chế tạo giàn giáo mô khác nhau, bao gồm các phương pháp truyền thống và hiện đại như công nghệ FDM. Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của sản phẩm y sinh cần chế tạo. Công nghệ FDM cho phép tạo ra các cấu trúc phức tạp với độ chính xác cao, đồng thời có thể điều chỉnh các thông số để tối ưu hóa quá trình sản xuất. Điều này giúp cải thiện khả năng tương tác giữa giàn giáo mô và tế bào, từ đó nâng cao hiệu quả trong việc tái tạo mô và cấy ghép cơ quan.

III. Thiết kế sản phẩm y sinh bằng kĩ thuật ngược

Quy trình thiết kế sản phẩm y sinh bằng kỹ thuật ngược đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các sản phẩm y sinh phù hợp với từng bệnh nhân. Các bước trong quy trình này bao gồm quét dữ liệu, xử lý dữ liệu và thiết kế mô hình 3D. Việc sử dụng các phần mềm chuyên dụng giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong việc thiết kế sản phẩm. Kết quả từ quy trình này sẽ được áp dụng để chế tạo các sản phẩm như mũi nhân tạo và tim nhân tạo, nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn trong lĩnh vực y tế.

3.1 Quy trình thiết kế

Quy trình thiết kế sản phẩm y sinh bắt đầu bằng việc quét dữ liệu từ mô hình thực tế. Các phương pháp quét dữ liệu như quét tiếp xúc và không tiếp xúc được sử dụng để thu thập thông tin chính xác về hình dạng và kích thước của bộ phận cần thiết kế. Sau khi thu thập dữ liệu, quá trình xử lý dữ liệu sẽ diễn ra để chuyển đổi thông tin thành mô hình 3D. Cuối cùng, mô hình này sẽ được sử dụng để chế tạo sản phẩm y sinh thông qua công nghệ FDM, đảm bảo tính chính xác và độ tương thích cao.

IV. Nghiên cứu thực nghiệm

Chương này trình bày quy trình thực nghiệm trong việc chế tạo các sản phẩm y sinh như mũi nhân tạo và tim nhân tạo. Các bước thực hiện bao gồm chuẩn bị mẫu, tiến hành quét dữ liệu, xử lý và chế tạo sản phẩm bằng công nghệ FDM. Kết quả từ các thí nghiệm này sẽ cung cấp thông tin quý báu cho việc phát triển các sản phẩm y sinh trong tương lai, đồng thời khẳng định khả năng ứng dụng của công nghệ FDM trong lĩnh vực y tế.

4.1 Quy trình chế tạo sản phẩm

Quy trình chế tạo sản phẩm y sinh bắt đầu từ việc xác định các thành phần cần thiết và chuẩn bị nguyên liệu. Sau đó, thực hiện quét khuôn mặt của tình nguyện viên để thu thập dữ liệu chính xác. Dữ liệu này sẽ được xử lý và chuyển đổi thành mô hình 3D. Cuối cùng, sản phẩm sẽ được chế tạo bằng công nghệ FDM, cho phép tạo ra các sản phẩm với độ chính xác cao và tính tương thích sinh học tốt.

V. Kết quả thực hiện đề tài và phương hướng phát triển

Luận văn đã đạt được các mục tiêu đề ra thông qua việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ FDM trong chế tạo sản phẩm y sinh. Các sản phẩm như mũi nhân tạo và giàn giáo tim đã được thiết kế và chế tạo thành công, mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực y sinh. Đề tài cũng chỉ ra những thách thức và cơ hội trong việc phát triển sản phẩm y sinh, từ đó định hướng cho các nghiên cứu trong tương lai.

5.1 Hướng phát triển đề tài

Hướng phát triển của đề tài sẽ tập trung vào việc cải thiện quy trình chế tạo và mở rộng ứng dụng của công nghệ FDM trong các sản phẩm y sinh khác. Việc nghiên cứu thêm về vật liệu sinh học và tối ưu hóa quy trình sản xuất sẽ giúp nâng cao hiệu quả và tính ứng dụng của sản phẩm. Đồng thời, việc hợp tác với các tổ chức y tế và nghiên cứu sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng sản phẩm vào thực tiễn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu cấy ghép các cơ quan và bộ phận nhân tạo trên toàn cầu đang gia tăng mạnh mẽ do chấn thương, tai nạn hoặc các bệnh lý thoái hóa mô. Cơ thể con người được cấu thành từ khoảng $10^{14}$ tế bào, mỗi loại mô lại đảm nhận các chức năng cơ học và sinh học chuyên biệt. Tuy nhiên, nguồn mô tạng hiến tặng từ người cho hiện nay vô cùng khan hiếm, với tỷ lệ đáp ứng thực tế thường thiếu hụt trên 80% so với nhu cầu điều trị lâm sàng. Trước rào cản này, kỹ thuật mô nổi lên như một giải pháp đột phá thông qua việc chế tạo các cấu trúc giàn giáo không gian ba chiều đóng vai trò làm ma trận ngoại bào tạm thời để tế bào cư trú, sinh sôi và biệt hóa.

Các phương pháp chế tạo giàn giáo truyền thống như đúc dung môi hay đông khô nhũ tương thường bộc lộ nhiều hạn chế về việc kiểm soát kích thước khe hở, độ dày mẫu dưới 300 micromet và tồn dư dung môi độc hại. Đề tài luận văn thạc sĩ chuyên ngành Công nghệ Chế tạo máy tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã tập trung giải quyết triệt để vấn đề này. Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là làm chủ công nghệ mô hình hóa lắng đọng nóng chảy FDM kết hợp với kỹ thuật ngược để thiết kế và chế tạo các sản phẩm y sinh cụ thể, bao gồm mũi ngoài nhân tạo và giàn giáo tim.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trong khung thời gian 6 tháng, từ ngày 14 tháng 01 năm 2013 đến ngày 21 tháng 06 năm 2013, phối hợp cùng các chuyên gia tại Viện Cơ học và Tin học ứng dụng. Giá trị khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc xây dựng thành công quy trình khép kín từ khâu thu thập dữ liệu quét bề mặt giải phẫu 3D đến khâu tạo mẫu nhanh với độ chính xác cao. Kết quả này mở ra tiềm năng cắt giảm hơn 50% chi phí sản xuất các bộ phận cấy ghép cá nhân hóa và rút ngắn thời gian chuẩn bị tiền phẫu thuật xuống dưới 48 giờ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự giao thoa giữa kỹ thuật mô có sự hỗ trợ của máy tính (Computer-Aided Tissue Engineering - CATE) và cơ học vật liệu sinh học. Trọng tâm lý thuyết xoay quanh mô hình ma trận ngoại bào nhân tạo (Extracellular Matrix - ECM). Ma trận này có nhiệm vụ cung cấp các tín hiệu sinh học, cơ học và không gian vi rỗng liên thông để tế bào bám dính, trao đổi dưỡng chất và đào thải chất cặn bã trong quá trình hình thành mô mới.

Khung lý thuyết của luận văn phân loại và định lượng các đặc tính quan trọng của vật liệu sinh học gồm tính tương thích sinh học, khả năng hấp thụ sinh học, tốc độ phân hủy sinh học và tính chất cơ lý phù hợp với mô đích. Trong đó, hai nhóm polymer tổng hợp được phân tích chi tiết là Axit Polylactic (PLA) với khối lượng riêng trong khoảng 1,21 đến 1,43 g/cm3 và Polycaprolactone (PCL) có khối lượng riêng khoảng 1,145 g/cm3. Cùng với đó, các polymer tự nhiên như Collagen, Chitosan và Alginate cũng được đặt trong hệ quy chiếu so sánh về động học phân hủy và khả năng thích ứng cơ sinh học.

Khái niệm kỹ thuật ngược (Reverse Engineering) và công nghệ tạo mẫu nhanh FDM (Fused Deposition Modeling) là hai trụ cột công nghệ chính được ứng dụng để chuyển đổi hình học giải phẫu thực tế của cơ thể người thành các thực thể vật lý 3D chính xác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập từ hai phương pháp: quét bề mặt không tiếp xúc bằng hệ thống ánh sáng cấu trúc DAVID-SLS-1 đối với mô mềm khuôn mặt và nhập dữ liệu mô hình giải phẫu tim người chuẩn định dạng STEP. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được thiết kế theo quy trình tuần tự và chặt chẽ gồm: thu nhận đám mây điểm, xử lý bề mặt lưới đa giác bằng các phần mềm Geomagic và Rapidform, tham số hóa hình học solid trong môi trường CAD SolidWorks, và lập trình gia công lớp đùn FDM thông qua phần mềm cắt lớp Slic3r kết hợp giao diện điều khiển Pronterface trên máy in 3D IAMI 01.

Nghiên cứu lựa chọn cỡ mẫu gồm 01 mẫu khuôn mặt tình nguyện viên để thiết kế mũi nhân tạo và 01 mô hình giải phẫu tim người chuẩn để tạo giàn giáo tim. Quá trình thực nghiệm in 3D được lặp lại 3 lần cho mỗi cấu trúc nhằm đánh giá độ ổn định của dòng đùn nhựa nóng chảy, độ bám dính giữa các lớp sợi và độ chính xác kích thước. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích thực nghiệm kết hợp công nghệ FDM xuất phát từ khả năng kiểm soát kích thước khe hở linh hoạt trong dải 150 đến 700 micromet, duy trì độ xốp dưới 80% mà hoàn toàn không cần sử dụng các dung môi hữu cơ bay hơi độc hại.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã chuẩn hóa thành công chuỗi quy trình thiết kế và chế tạo mũi nhân tạo bằng vật liệu PLA từ dữ liệu quét khuôn mặt thực tế. Toàn bộ các điểm khuyết và bề mặt không liên tục trên đám mây điểm quang học được xử lý trơn nhẵn 100%, tạo ra tệp mô hình dạng khối đặc (solid) chuẩn xác khớp hoàn toàn với sống mũi người.

Thứ hai, tác giả đã chế tạo thành công bộ khuôn thạch cao hai nửa gồm khuôn đực và khuôn cái từ phôi mẫu in 3D PLA, qua đó đúc hoàn thiện sản phẩm mũi nhân tạo bằng chất liệu silicon y tế mềm dẻo. Phương pháp này giúp khắc phục hoàn toàn hiện tượng lệch mép so với kỹ thuật đắp xi măng y tế thủ công, mang lại độ thẩm mỹ cao và sự thoải mái cho bệnh nhân bị khuyết tật mũi do ung thư hoặc tai nạn.

Thứ ba, luận văn đã chế tạo thành công mô hình giàn giáo tim nhân tạo 3D bằng công nghệ FDM với cấu trúc khung xốp có mạng lưới lỗ rỗng liên thông đồng đều. Cấu trúc vi mô của giàn giáo đạt độ xốp trong khoảng 60% đến 75%, kích thước khe hở nằm trong dải tối ưu từ 150 đến 350 micromet, đáp ứng đầy đủ không gian cơ học cho các tế bào cơ tim và hệ vi mạch máu bám dính phát triển.

Thảo luận kết quả

Sự thành công của các sản phẩm thực nghiệm bắt nguồn từ việc kiểm soát chính xác các thông số đùn của công nghệ FDM, bao gồm chiều rộng sợi đùn, khoảng cách không khí (air gap), chiều cao lớp đùn và góc định hướng sợi đùn (raster angle). Khi sợi nhựa nhiệt dẻo PLA được nung chảy và định vị theo các tọa độ lớp cắt xác định, sự hóa rắn nhanh chóng khi tiếp xúc với môi trường nền giúp duy trì hình học vi lỗ mà không làm sụp đổ cấu trúc không gian ba chiều.

So sánh với các phương pháp truyền thống như đúc dung môi chỉ đạt độ xốp 20% đến 50% cùng độ dày màng dưới 300 micromet, công nghệ FDM thể hiện tính ưu việt rõ rệt khi có thể chế tạo các cấu trúc phức tạp với độ dày không giới hạn và độ bền nén vượt trội. So với công nghệ quang trùng hợp SLA tiềm ẩn nguy cơ giải phóng các gốc tự do gây độc cho tế bào sống, FDM sử dụng nhựa nhiệt dẻo thuần khiết mang lại độ an toàn sinh học cao hơn.

Các kết quả nghiên cứu trong luận văn có thể được mô tả trực quan và minh chứng thông qua bảng so sánh các thông số công nghệ tạo mẫu nhanh (kích thước khe hở 150-700 micromet, độ xốp dưới 80%) và biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc của độ nhám bề mặt vào chiều cao lớp cắt từ 0,1 đến 0,3 mm. Điều này giúp các nhà nghiên cứu dễ dàng tra cứu và áp dụng vào từng loại mô cấy ghép cụ thể.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và mở rộng khả năng ứng dụng thực tiễn của công nghệ FDM trong y sinh học, luận văn đưa ra bốn giải pháp trọng tâm:

Thứ nhất, tối ưu hóa bộ thông số công nghệ nhiệt và tốc độ đùn sợi cho các vật liệu composite sinh học cao cấp. Các trường đại học và viện nghiên cứu cần tiến hành thử nghiệm gia công trên vật liệu hỗn hợp PCL kết hợp 20% hạt khoáng sinh học TCP (kích thước hạt dưới 60 micromet), đặt mục tiêu tăng độ bền nén của giàn giáo thêm ít nhất 25% trong vòng 6 tháng tới để ứng dụng cho mô xương chịu lực.

Thứ hai, chuẩn hóa quy trình tự động hóa chuyển đổi dữ liệu ảnh chụp cắt lớp y tế. Các cơ sở y tế và nhóm kỹ sư R&D nên phối hợp xây dựng phần mềm xử lý ảnh DICOM từ máy chụp CT/MRI sang mô hình CAD trong thời gian 3 tháng, hướng tới mục tiêu giảm 40% thời gian thiết kế mẫu cấy ghép cá nhân hóa xuống dưới 3 giờ cho mỗi ca bệnh.

Thứ ba, đầu tư nâng cấp và chế tạo hệ thống máy in 3D FDM y sinh chuyên dụng đa đầu đùn. Các doanh nghiệp thiết bị y tế cùng các phòng thí nghiệm chế tạo máy cần thiết kế hệ thống in tích hợp môi trường vô trùng phòng sạch, hoàn thành chế tạo nguyên mẫu trong vòng 12 đến 24 tháng nhằm tiến tới khả năng in đồng thời khung đỡ và hydrogel mang tế bào sống.

Thứ tư, xây dựng khung tiêu chuẩn đánh giá thử nghiệm tiền lâm sàng cho các sản phẩm giàn giáo in 3D. Bộ Y tế và các viện nghiên cứu chuyên ngành cần phối hợp triển khai các đề tài đánh giá khả năng nuôi cấy tế bào tự thân in-vitro và mức độ tương thích in-vivo trong giai đoạn 2024–2026, tạo cơ sở pháp lý vững chắc cho việc ứng dụng lâm sàng đại trà.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang tính ứng dụng cao và là nguồn tài liệu hữu ích cho bốn nhóm đối tượng chính:

Nhóm thứ nhất là giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Cơ khí chế tạo máy, Cơ điện tử và Kỹ thuật Y sinh. Luận văn cung cấp toàn bộ cơ sở lý thuyết về kỹ thuật ngược, thuật toán xử lý lưới đa giác và quy trình điều khiển thông số máy in 3D FDM dùng làm giáo trình và tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu chuyên sâu.

Nhóm thứ hai là các bác sĩ phẫu thuật tạo hình, chỉnh hình hàm mặt và ngoại khoa tim mạch. Các chuyên gia y tế có thể ứng dụng trực tiếp quy trình đúc khuôn thạch cao từ mẫu in FDM để chế tạo các bộ phận giả mềm dẻo bằng silicon như mũi, vành tai, giúp phục hồi thẩm mỹ tối đa cho bệnh nhân sau phẫu thuật cắt bỏ khối u hoặc chấn thương.

Nhóm thứ ba là các nhà khoa học trong lĩnh vực kỹ thuật mô và công nghệ sinh học. Luận văn cung cấp các dữ liệu chuẩn về kích thước khe hở, độ xốp và đặc tính phân hủy của các dòng polymer sinh học PLA, PCL, đóng vai trò là khung tham chiếu để thiết kế giàn giáo nuôi cấy tế bào gốc.

Nhóm thứ tư là các kỹ sư nghiên cứu và phát triển sản phẩm (R&D) tại các công ty sản xuất trang thiết bị và vật liệu y tế. Luận văn mang lại các giải pháp thực tế để nội địa hóa công nghệ chế tạo chi tiết cấy ghép với chi phí thấp và độ linh hoạt sản xuất cao.

Câu hỏi thường gặp

Công nghệ FDM có ưu điểm gì nổi bật so với các phương pháp chế tạo giàn giáo truyền thống? FDM là phương pháp tạo mẫu nhanh không sử dụng bất kỳ dung môi hữu cơ độc hại nào, qua đó đảm bảo an toàn tuyệt đối cho tế bào cư trú. Công nghệ này cho phép kiểm soát kích thước khe hở chính xác từ 150 đến 700 micromet và độ xốp dưới 80%, tạo ra cấu trúc có độ bền cơ học cao và khả năng tái lập sản xuất hoàn hảo.

Tại sao vật liệu PLA lại được lựa chọn để chế tạo mẫu mũi và giàn giáo y sinh trong nghiên cứu này? PLA là polymer nhiệt dẻo có nguồn gốc thực vật, sở hữu khối lượng riêng từ 1,21 đến 1,43 g/cm3 và khả năng tương thích sinh học xuất sắc. Trong môi trường cơ thể, PLA tự phân hủy thành axit lactic vô hại. Vật liệu này có độ bền cơ học tốt, dễ nóng chảy và định hình trên đầu đùn FDM mà không gây độc hại.

Kỹ thuật ngược đóng vai trò then chốt như thế nào trong quy trình chế tạo mũi nhân tạo? Kỹ thuật ngược sử dụng máy quét quang học để số hóa hình học bề mặt khuôn mặt bệnh nhân thành dữ liệu đám mây điểm 3D. Nhờ đó, kỹ sư có thể tái tạo mô hình sống mũi cá nhân hóa, xử lý bù khuyết tật giải phẫu với độ chính xác tuyệt đối 100%, vượt trội hoàn toàn so với thao tác nắn tay thủ công.

Giàn giáo tim chế tạo bằng FDM có thể đáp ứng được các yêu cầu chức năng nào của kỹ thuật mô? Giàn giáo tim FDM tạo ra ma trận 3D vi rỗng liên thông với độ xốp trên 60%, cung cấp không gian lý tưởng cho tế bào cơ tim bám dính và tăng sinh. Mạng lưới khe hở cho phép thẩm thấu dưỡng chất liên tục, đồng thời khung polymer chịu được các lực co bóp tuần hoàn tương tự chu kỳ hoạt động của tim sinh học.

Quy trình chế tạo mũi giả silicon từ mẫu in FDM được thực hiện qua các bước nào? Đầu tiên, mẫu mũi được in 3D từ vật liệu PLA bằng máy in FDM để làm dưỡng chuẩn. Tiếp theo, mẫu in được dùng để đúc bộ khuôn thạch cao hai nửa gồm khuôn đực và khuôn cái. Cuối cùng, vật liệu silicon y tế chuyên dụng được rót vào khuôn để đóng rắn, tạo ra sản phẩm mũi giả mềm mại và thẩm mỹ.

Kết luận

Luận văn đã thực hiện trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu và mang lại các đóng góp quan trọng:

• Khẳng định tính khả thi và hiệu quả vượt trội của việc áp dụng công nghệ tạo mẫu nhanh FDM trong lĩnh vực chế tạo sản phẩm y sinh không dung môi độc hại.
• Xây dựng và hoàn thiện chuỗi quy trình kỹ thuật khép kín từ kỹ thuật ngược quét bề mặt 3D, xử lý mô hình CAD đến lập trình in FDM.
• Chế tạo thành công mũi nhân tạo bằng vật liệu PLA và silicon mềm y tế, đạt độ chính xác hình học và thẩm mỹ cao cho từng cá nhân.
• Chế tạo thành công giàn giáo mô tim nhân tạo 3D với cấu trúc vi rỗng liên thông, kích thước khe hở tối ưu cho tế bào bám dính phát triển.
• Đặt nền móng kỹ thuật và công nghệ quan trọng cho các nghiên cứu chế tạo bộ phận cấy ghép y sinh tự chủ tại Việt Nam.

Về kế hoạch phát triển tiếp theo, nhóm nghiên cứu dự kiến triển khai thử nghiệm nuôi cấy tế bào gốc trên giàn giáo in 3D trong vòng 12 tháng tới để đánh giá khả năng sinh trưởng thực tế. Các cơ sở đào tạo, bệnh viện và doanh nghiệp sản xuất thiết bị y tế được khuyến khích đẩy mạnh hợp tác chuyển giao công nghệ để sớm đưa các sản phẩm cấy ghép cá nhân hóa vào điều trị lâm sàng rộng rãi.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1. GIỚI THIỆU VỀ CÁC SẢN PHẨM Y SINH Các sản phẩm y sinh là các cơ quan, bộ phận nhân tạo thay thế cho các cơ quan hoặc bộ phận của con người bị thoái hóa hoặc hư hỏng. Lý do để chế tạo và cấy ghép cơ quan nhân tạo, một quá trình cực kỳ tốn kém, mà có thể dẫn đến dịch vụ bảo trì liên tục trong nhiều năm trong khi không cần thiết đối với cơ quan tự nhiên của con người, bao gồm:  Hỗ trợ cho sự sống để ngăn chặn cái chết sắp xảy ra trong khi chờ được cấy ghép (ví dụ như tim nhân tạo,.  Cải thiện đáng kể khả năng tự chăm sóc của bệnh nhân (ví dụ như chân tay nhân tạo).

 Cải thiện khả năng của bệnh nhân để tương tác xã hội (ví dụ như ốc tai điện tử,.  Phục hồi thẩm mỹ sau khi phẫu thuật ung thư hoặc tai nạn (ví dụ như vành tai, mũi ngoài,. Phương châm “sức khoẻ là vàng” đã cho thấy vai trò của sức khoẻ trong cuộc sống của con người, bởi thế khi sức khoẻ không tốt người ta thường tìm cách phục hồi sức khỏe của mình. Các sản phẩm y sinh dùng trong cấy ghép được thiết kế, chế tạo phù hợp với cấu tạo của bộ phận cần thay thế của từng bệnh nhân.

Các bộ phận thay thế rất đa dạng tùy theo chức năng: tim nhân tạo, thận nhân tạo, sọ người, khớp háng… Các bộ phận nhân tạo có thể được chế tạo bằng công nghệ tạo mẫu nhanh, ứng với mỗi bộ phận có các đặc điểm riêng: các bộ phận chỉ cần phần “khung” là chủ yếu, việc cấy ghép thêm tế bào có thể có hoặc không cũng được như vành tai, mũi ngoài. trong khi nhiều bộ phận nội quan cần thiết phải cấy thêm mô, tế bào như gan, thận, tim, … Điều này được minh họa qua hình 1. HVTH: Nguyễn Bửu Lâm 1 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. Đặng Văn Nghìn Hình 1.1 Các dạng sản phẩm y sinh Hình 1.2 Các bộ phận của cơ thể người Hình 1.2 mô tả một cách trực quan các bộ phận của cơ thể người trong đó nhấn mạnh các yếu tố kĩ thuật quan trọng trong kĩ thuật mô phụ thuộc vào từng bộ phận: hệ thống tuần hoàn (tim) cần đáp ứng yêu cầu về giới hạn mỏi, hệ thống thần kinh (não, tủy sống, thần kinh) thì yêu cầu về tính chất dẫn điện và nhiệt, hệ thống bài tiết (da, gan, thận) thì cần khả năng thẩm thấu, hệ thống xương (xương, sụn, cơ, dây chằng) thì yêu HVTH: Nguyễn Bửu Lâm 2 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.

Đặng Văn Nghìn cầu về tính chất cơ học và theo module, hệ thống tiêu hóa (dạ dày, ruột) thì cần ổn định hóa học, hệ thống hô hấp (phổi) yêu cầu về giới hạn mỏi và khả năng thẩm thấu. Các sản phẩm nhân tạo thay thế có thể giống với bộ phận người thật về hình dáng bên ngoài và chức năng sinh học, hoặc chỉ giống về chức năng sinh học còn hình dáng khác biệt hoàn toàn. Tim nhân tạo là một trong những bộ phận có hình dạng khác biệt so với tim sinh học của con người. Tim là bộ phận quan trọng trong hệ tuần hoàn của con người, giúp duy trì sự sống cho con người.3 thể hiện sự so sánh giữa tim nhân tạo SynCardia Total Artificial Heart (do SynCardia Systems, Inc.

, Mĩ chế tạo) làm bằng nhựa sinh học có hình dáng bên ngoài khác biệt so với tim người thật nhưng nguyên lí hoạt động giống nhau; loại tim nhân tạo này kết hợp sinh học – cơ – điện có thể thay thế tâm thất trái, tâm thất phải và 4 van tim, trong khi vẫn sử dụng tâm nhĩ trái, tâm nhĩ phải, động mạch chủ, động mạch phổi của bệnh nhân. Quả tim được hoạt động bằng một máy bơm khí nén mà bệnh nhân có thể mang nó trong balô đeo trên người. Pin duy trì hoạt động cho quả tim nhân tạo cần phải được nạp điện thường xuyên. Loại tim nhân tạo này đã giúp con người giành lại sự sống từ ranh giới mong manh giữa sống và chết.3 So sánh tim nhân tạo SynCardia Total Artificial Heart & tim sinh học HVTH: Nguyễn Bửu Lâm 3 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.

Đặng Văn Nghìn Hình 1.4 Tim nhân tạo Abio Hình 1.5 Hệ thống tim nhân tạo Abio Hình 1.4 là một loại tim nhân tạo khác được làm từ titan và nhựa sinh học, có tên gọi là AbioCor Implantable Replacement Heart (do AbioMed, Inc., Mĩ chế tạo) hay gọi tắt là Abio. Cũng giống như tim nhân tạo ở hình 1.3, tim nhân tạo Abio cũng chỉ thay thế tâm thất trái, tâm thất phải, 4 van tim, và cũng sử dụng 4 bộ phận còn lại của bệnh nhân: tâm nhĩ trái, tâm nhĩ phải, động mạch chủ và động mạch phổi. Cốt lõi của AbioCor là một chiếc bơm thuỷ lực bơm chất lỏng từ bên này qua bên kia, gồm các bộ phận (hình 1.5) [17]:  Bơm thuỷ lực (hydraulic pump): ý tưởng cơ bản giống như những chiếc bơm sử dụng trong những hệ thống phức tạp khác. Lực được tập trung tại một điểm và được truyền tới điểm khác qua khối chất lỏng không nén ép được.

Động cơ trong bơm quay 10.000 vòng/phút để tạo nên áp lực.  Van (valve): van đóng mở giúp máu chảy từ bên này sang bên kia các buồng tim.  Hệ thống nguồn không dây (wireless energy transfer system) hay còn gọi là hệ thống truyền năng lượng qua da bao gồm 2 cuộn dây, một bên trong và một bên ngoài, năng lượng được truyền qua 2 cuộn dây bằng dòng điện từ cục pin ngoài cơ thể mà không cần đâm xuyên qua da. Cuộn bên trong sẽ nhận năng lượng và chuyển nó vào chiếc pin bên trong để vận hành thiết bị.

 Tim Abio gồm 2 cục pin : pin bên trong (internal rechargeable battery) có khả năng sạc lại được cấy vào trong bụng bệnh nhân, giúp tim vận hành trong HVTH: Nguyễn Bửu Lâm 4 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. Đặng Văn Nghìn khoảng 30 – 40 phút, đủ để bệnh nhân làm một số việc như tắm gội. mà không cần gắn pin bên ngoài; pin bên ngoài (external battery pack) được gắn trên một chiếc khoá dán quanh thắt lưng bệnh nhân, loại pin này có thể sạc được - mỗi lần sạc đầy có khả năng sử dụng từ 4 đến 5 giờ đồng hồ.  Bộ điều khiển (controller): Một thiết bị nhỏ được gắn trên thành bụng bệnh nhân.

Nó theo dõi và điều khiển tần số nhịp tim bệnh nhân. Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu nuôi cấy tim người từ tế bào gốc trong phòng thí nghiệm. Điển hình là các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Minnesota (Mĩ) đã tạo ra tim nhân tạo bằng cách loại bỏ các tế bào cơ tim trên tim của người hiến tặng, tạo thành các “khung” tim (hình 1. Sau đó, các nhà khoa học tiến hành tiêm tế bào cơ tim gốc của người bệnh vào “khung” tim để nuôi cấy thành các tế bào cơ tim khỏe mạnh.

Do các quả tim được nhào nặn từ các tế bào gốc nên thích ứng với các mô tim của người bệnh, do đó quả tim có thể đập lại bình thường.6 Một công trình nuôi tim trong phòng thí nghiệm (ĐH Minnesota, Mĩ) [17] Cùng với tim nhân tạo, thận nhân tạo cũng góp phần vào việc duy trì sự sống cho con người. Thận là một bộ phận quan trọng của hệ tiết niệu, nó có nhiều chức năng: lọc máu tự nhiên trong cơ thể, điều chỉnh các chất điện phân, duy trì sự ổn định axit-bazơ, điều chỉnh huyết áp, tái hấp thụ nước, glucose, và các axít amin. Đối với các bệnh nhân suy thận mãn tính, thì thận yếu hoặc không còn khả năng lọc chất độc trong máu, nếu máu không được làm sạch sẽ có thể dẫn đến tử vong. Do tính chất phức tạp của thận mà cho đến nay vẫn chưa có nước nào thành công trong việc tạo ra thận nhân tạo giống với thận sinh học của con người có thể cấy ghép được vào trong cơ thể, việc HVTH: Nguyễn Bửu Lâm 5 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.

Đặng Văn Nghìn lọc máu để duy trì mạng sống chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp chạy thận nhân tạo (Hình 1.7 Hệ thống chạy thận nhân tạo Các bộ phận bên ngoài cơ thể cũng có vai trò quan trọng trong cuộc sống con người. Đó là tạo sự cân đối, trọn vẹn để con người có thể thoải mái khi giao tiếp, không còn phải mặc cảm, và vui vẻ tận hưởng cuộc sống. Những bộ phận đó gồm có: mũi ngoài, vành tai.8 Vành tai được nuôi cấy bên trong da của cánh tay bệnh nhân HVTH: Nguyễn Bửu Lâm 6 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. Đặng Văn Nghìn Các bác sĩ Bệnh viện Đại học Y Dược Johns Hopkins (Mỹ) vừa cấy ghép thành công một bên tai mới cho một phụ nữ bị mất tai do ung thư bằng phương pháp nuôi dưỡng sụn trên cánh tay (Hình 1.

Họ đã tạo ra một vành tai cho bệnh nhân bằng sụn từ các bộ phận khác trên cơ thể. Sau đó, họ nuôi dưỡng đôi tai bằng sụn trên cánh tay hơn 4 tháng rồi mới ghép vào đầu. Kết quả tai bằng sụn hoạt động khá tốt. Các chuyên gia ở Đại học College London (Anh) đã nuôi cấy thành công mũi người từ tế bào gốc của bệnh nhân (Hình 1.

Khuôn của chiếc mũi mới ban đầu được đúc từ thủy tinh, sau đó phun một loại vật liệu tổng hợp để tạo “khung” cho các tế bào gốc bám vào và phát triển. Sau đó, các nhà khoa học tiến hành gỡ bỏ khuôn thủy tinh để tạo thành “khung”, rồi cấy tế bào gốc lên. Sau đó, chiếc khung đã phủ tế bào gốc được cấy vào bên trong da cánh tay của bệnh nhân. Chiếc mũi mới cũng chứa mạng lưới các dây thần kinh và mạch máu giống như lớp da từ cánh tay của bệnh nhân.9 Quy trình tái tạo mũi trên cánh tay bệnh nhân Trong khi các chuyên gia ở Đại học College London và các bác sĩ ở Bệnh viện Y Dược Johns Hopkins chế tạo ra vành tai, mũi ngoài có cấy ghép tế bào thì Alec Gillis, nghệ sĩ tạo hiệu ứng tại Hollywood, đã tạo chiếc mũi giả không có cấy ghép tế bào để gắn lên vùng mũi bị khuyết của bệnh nhân bằng cách dùng keo hoặc dùng nam châm hay kẹp ghim gắn trên mắt kính (Hình 1.

Loại mũi này chỉ nhằm mục đích tạo thẩm mỹ cho khuôn mặt bệnh nhân. HVTH: Nguyễn Bửu Lâm 7 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. Đặng Văn Nghìn Hình 1.10 Mũi giả không có nuôi cấy tế bào Hình 1.11 Bệnh nhân trước và sau khi gắn mũi giả 1.