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

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.

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.