Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ in 3D sinh học đang trở thành một lĩnh vực nghiên cứu trọng điểm với tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong y học tái tạo và kỹ thuật mô. Theo ước tính, nhu cầu về các mô và cơ quan nhân tạo ngày càng tăng do sự thiếu hụt nguồn tạng hiến tặng, thúc đẩy sự phát triển của các phương pháp chế tạo mô sinh học bằng công nghệ in 3D. Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và đánh giá đặc tính của đầu in dung dịch cho máy in 3D sinh học, nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả của quá trình in mô sinh học.

Mục tiêu nghiên cứu bao gồm: tổng quan công nghệ in 3D sinh học và các phương pháp in; lựa chọn vật liệu in phù hợp; phân tích và mô phỏng đặc tính dòng chảy của dung dịch in; thiết kế và chế tạo đầu in dung dịch đồng trục; thực nghiệm và đánh giá ảnh hưởng của các thông số in đến chất lượng đường in. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vật liệu Sodium Alginate (SA) kết hợp với dung dịch Canxi Clorua (CaCl2) trong khoảng thời gian nghiên cứu đến năm 2023 tại Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và ứng dụng lớn trong việc phát triển công nghệ in 3D sinh học tại Việt Nam, góp phần tạo ra các mô kỹ thuật chất lượng cao, hỗ trợ y học tái tạo và các ứng dụng y tế tiên tiến. Các chỉ số đánh giá chất lượng đường in như kích thước sợi, độ đồng đều và khả năng liên kết chéo được sử dụng làm metrics chính để đo lường hiệu quả của đầu in dung dịch.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: công nghệ in 3D sinh học và mô phỏng động lực học chất lưu (CFD). Công nghệ in 3D sinh học sử dụng các phương pháp ép đùn dung dịch dạng gel chứa tế bào sống, trong đó đầu in đồng trục là giải pháp kỹ thuật cho phép đồng thời đùn vật liệu mực sinh học và dung dịch liên kết chéo. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Mực sinh học (Bioink): Dung dịch gel chứa tế bào và các thành phần sinh học, có tính chất lưu biến đặc trưng như độ nhớt và khả năng liên kết chéo.
  • Liên kết chéo ion: Phản ứng hóa học giữa ion Ca2+ trong dung dịch CaCl2 và nhóm carboxylic của Sodium Alginate tạo gel hóa nhanh chóng.
  • Đầu in đồng trục: Thiết kế đầu in với hai kim đồng tâm, cho phép đùn đồng thời mực sinh học và dung dịch liên kết chéo, kiểm soát kích thước sợi và chất lượng in.
  • Mô phỏng CFD: Phương pháp số dùng để phân tích dòng chảy dung dịch trong đầu in, đánh giá ảnh hưởng của áp suất và độ nhớt đến vận tốc đùn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm dữ liệu thực nghiệm từ các mẫu in với các nồng độ SA (2%, 3%, 4%) và CaCl2 (0,1M, 0,2M, 0,3M), cùng với các tốc độ in khác nhau (10, 12, 14 mm/s). Phương pháp phân tích kết hợp mô phỏng CFD bằng phần mềm Hyperworks CFD và thực nghiệm đánh giá chất lượng đường in.

Cỡ mẫu thực nghiệm gồm nhiều mẫu in với các tổ hợp thông số khác nhau, được đo kiểm kích thước sợi trước và sau khi liên kết chéo hoàn toàn. Phương pháp chọn mẫu dựa trên thiết kế thí nghiệm có kiểm soát nhằm đánh giá ảnh hưởng từng thông số đến chất lượng in.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2022-2023, bao gồm các giai đoạn: tổng quan và lựa chọn vật liệu, thiết kế đầu in, mô phỏng CFD, chế tạo cụm đầu in, thực nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nồng độ SA đến đặc tính dòng chảy: Mô phỏng CFD cho thấy dung dịch SA 4% có độ nhớt 0,568 Pa.s, vận tốc đùn tăng theo áp suất từ 0,5 đến 4 bar, đạt vận tốc đùn tối đa khoảng 0,02 mm/s ở áp suất 2,5 bar. Độ nhớt cao giúp dòng chảy ổn định, giảm hiện tượng sủi bọt khí.

  2. Ảnh hưởng của nồng độ CaCl2 đến chất lượng đường in: Thực nghiệm cho thấy với nồng độ CaCl2 0,2M, kích thước sợi in đạt độ đồng đều cao nhất, giảm thiểu hiện tượng sợi bị kéo giãn hoặc xoắn. So sánh với 0,1M và 0,3M, nồng độ 0,2M cân bằng tốt giữa tốc độ gel hóa và độ bền cơ học.

  3. Ảnh hưởng của tốc độ in: Tốc độ in 12 mm/s được xác định là tối ưu, cho kích thước sợi ổn định và độ chính xác cao hơn so với 10 mm/s (dễ bị chồng chéo) và 14 mm/s (dễ bị kéo giãn sợi). Tỷ lệ kích thước sợi đạt khoảng 95% so với đường kính đầu kim.

  4. Hiệu quả thiết kế đầu in đồng trục: Cụm đầu in đồng trục tích hợp van hút ngược giúp kiểm soát lượng dung dịch đùn ra, giảm thiểu lượng dư khi dừng in, nâng cao độ chính xác và chất lượng mẫu in. Cơ cấu truyền động trục vít me - đai ốc bi cho phép điều chỉnh lưu lượng dung dịch CaCl2 với độ chính xác dưới 1%.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng CFD và thực nghiệm đồng nhất cho thấy sự kết hợp giữa nồng độ vật liệu và áp suất đùn là yếu tố quyết định đến chất lượng đường in. Độ nhớt cao của dung dịch SA giúp duy trì dòng chảy ổn định, hạn chế hiện tượng sủi bọt khí, phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật của in 3D sinh học.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, việc sử dụng đầu in đồng trục tùy chỉnh với van hút ngược là cải tiến đáng kể, khắc phục nhược điểm của đầu in thương mại về tính linh hoạt và kiểm soát dòng chảy. Các thông số vận tốc in và nồng độ CaCl2 được tối ưu hóa giúp nâng cao độ đồng nhất và khả năng tái tạo mô sinh học.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ vận tốc đùn theo áp suất và độ nhớt, bảng kích thước sợi in theo nồng độ CaCl2 và tốc độ in, cùng hình ảnh mẫu in minh họa sự khác biệt về chất lượng đường in.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa nồng độ vật liệu in: Khuyến nghị sử dụng dung dịch SA với nồng độ khoảng 3-4% kết hợp CaCl2 ở nồng độ 0,2M để đạt chất lượng gel hóa và độ bền cơ học tối ưu. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án in 3D sinh học hiện tại. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm và doanh nghiệp công nghệ sinh học.

  2. Điều chỉnh áp suất và tốc độ đùn: Áp dụng áp suất đùn khoảng 2,5 bar và tốc độ in 12 mm/s để đảm bảo kích thước sợi đồng đều và độ chính xác cao. Thời gian áp dụng: trong quá trình vận hành máy in. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên vận hành máy in 3D sinh học.

  3. Cải tiến thiết kế đầu in đồng trục: Phát triển thêm các phiên bản đầu in với khả năng thay đổi đường kính kim linh hoạt, tích hợp van hút ngược để kiểm soát lượng dung dịch dư khi dừng in. Thời gian áp dụng: trong vòng 1-2 năm tới. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị in 3D.

  4. Mở rộng nghiên cứu vật liệu mực sinh học: Khuyến khích nghiên cứu thêm các loại hydrogel khác như Collagen hoặc Agarose kết hợp với Alginate để nâng cao khả năng tương thích sinh học và tính chất cơ học của mô in. Thời gian áp dụng: dài hạn. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu công nghệ in 3D sinh học: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm chi tiết về thiết kế đầu in và vật liệu mực sinh học, hỗ trợ phát triển các dự án nghiên cứu mới.

  2. Kỹ sư phát triển thiết bị in 3D: Thông tin về thiết kế cụm đầu in đồng trục và cơ cấu truyền động piston-xilanh giúp cải tiến thiết bị, nâng cao hiệu suất và độ chính xác.

  3. Chuyên gia kỹ thuật mô và y học tái tạo: Nghiên cứu về vật liệu và phương pháp in giúp ứng dụng trong chế tạo mô nhân tạo, hỗ trợ điều trị y tế.

  4. Doanh nghiệp công nghệ sinh học và y tế: Cung cấp giải pháp kỹ thuật và dữ liệu thực nghiệm để phát triển sản phẩm in 3D sinh học thương mại, nâng cao chất lượng sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn Sodium Alginate làm vật liệu mực sinh học?
    Sodium Alginate có khả năng tạo gel nhanh khi tiếp xúc với ion Ca2+, độ nhớt phù hợp và tính tương thích sinh học cao, giúp duy trì cấu trúc mô in ổn định và hỗ trợ sự phát triển tế bào.

  2. Phương pháp mô phỏng CFD giúp gì trong nghiên cứu?
    CFD cho phép phân tích dòng chảy dung dịch trong đầu in, dự đoán vận tốc và áp suất phù hợp, từ đó tối ưu thiết kế đầu in và điều chỉnh thông số vận hành để nâng cao chất lượng in.

  3. Van hút ngược có vai trò gì trong cụm cấp dung dịch SA?
    Van hút ngược ngăn chặn lượng dung dịch dư chảy ra khi dừng in, giúp kiểm soát chính xác lượng mực sinh học đùn ra, tránh lãng phí và tăng độ chính xác của mẫu in.

  4. Ảnh hưởng của tốc độ in đến chất lượng đường in như thế nào?
    Tốc độ in quá thấp gây chồng chéo sợi, quá cao làm sợi bị kéo giãn và không đồng đều. Tốc độ in khoảng 12 mm/s được xác định là tối ưu cho kích thước sợi ổn định và độ chính xác cao.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các loại máy in 3D khác không?
    Kết quả chủ yếu áp dụng cho máy in 3D sinh học sử dụng đầu in đồng trục và vật liệu dạng gel. Tuy nhiên, nguyên lý và phương pháp có thể tham khảo để điều chỉnh cho các hệ thống in 3D tương tự.

Kết luận

  • Luận văn đã nghiên cứu và thiết kế thành công cụm đầu in dung dịch đồng trục cho máy in 3D sinh học, tích hợp van hút ngược và cơ cấu truyền động piston-xilanh.
  • Mô phỏng CFD và thực nghiệm đã xác định được các thông số vận hành tối ưu như nồng độ SA 3-4%, CaCl2 0,2M, áp suất 2,5 bar và tốc độ in 12 mm/s.
  • Thiết kế đầu in đồng trục tùy chỉnh khắc phục được hạn chế của đầu in thương mại, nâng cao độ chính xác và chất lượng đường in.
  • Nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ in 3D sinh học tại Việt Nam, hỗ trợ ứng dụng trong kỹ thuật mô và y học tái tạo.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu vật liệu mực sinh học, cải tiến thiết kế đầu in và ứng dụng trong sản xuất mô sinh học thực tế.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực công nghệ sinh học tiếp cận và ứng dụng kết quả nghiên cứu để thúc đẩy phát triển công nghệ in 3D sinh học trong nước.