Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ vi lưu (microfluidics) là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng xử lý chất lỏng ở thang đo micromet, cho phép phân tích và kiểm soát các phản ứng trên quy mô rất nhỏ với thiết bị nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí và hiệu quả hơn so với các hệ thống truyền thống. Theo ước tính, các hệ thống vi lưu có thể giảm đáng kể thể tích mẫu thử và thuốc thử, từ đó tiết kiệm nguyên liệu và tăng tốc độ phản ứng. Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành như kỹ thuật, vật lý, hóa học, công nghệ vi chế tạo và sinh học phân tử, đặc biệt trong phân tích enzyme, DNA và proteomic.

Tuy nhiên, việc chế tạo các thiết bị vi lỏng truyền thống thường phức tạp, tốn thời gian và đòi hỏi môi trường phòng sạch. Trong bối cảnh đó, kỹ thuật in 3D nổi lên như một giải pháp tạo mẫu nhanh, giảm chi phí và thời gian chế tạo, đồng thời cho phép thiết kế linh hoạt và độ chính xác cao. Luận văn tập trung vào thiết kế, chế tạo và thử nghiệm kênh vi lưu tích hợp cảm biến điện dung dựa trên công nghệ in 3D inkjet, với phạm vi nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Đại học Công nghệ - ĐHQGHN trong giai đoạn 2018-2019.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là phát triển quy trình chế tạo kênh vi lưu tích hợp cảm biến vi hạt, mô phỏng và thử nghiệm hệ thống đo đạc, từ đó góp phần nâng cao hiệu quả và tính ứng dụng của công nghệ vi lưu trong các lĩnh vực sinh học và y học. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thúc đẩy ứng dụng công nghệ in 3D trong sản xuất thiết bị vi lỏng, đồng thời mở rộng khả năng phát hiện và phân tích các vật thể siêu nhỏ trong dòng chảy chất lỏng.

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 vi lưu và công nghệ in 3D tạo mẫu nhanh. Công nghệ vi lưu liên quan đến việc điều khiển dòng chảy chất lỏng với thể tích micro hoặc nanolit qua các kênh có kích thước micromet, sử dụng hệ thống vi cơ điện tử (MEMS). Các khái niệm chính bao gồm:

  • Microfluidic: Xử lý và phân tích chất lỏng ở thang đo micromet.
  • Cảm biến điện dung vi sai: Phát hiện sự thay đổi điện dung không tiếp xúc dựa trên cấu trúc ba điện cực coplanar, giúp tăng độ nhạy trong phát hiện vật thể trong dòng chảy.
  • Vật liệu chế tạo vi lưu: Silicon, thủy tinh, polymer (đặc biệt là PDMS), và giấy, mỗi loại có ưu nhược điểm riêng về tính tương thích sinh học, chi phí và khả năng chế tạo.
  • Công nghệ in 3D: Các phương pháp phổ biến gồm SLS, SLA, FDM và Inkjet 3D, trong đó công nghệ Inkjet 3D được lựa chọn do khả năng in nhiều vật liệu, độ chính xác cao (độ dày lớp in khoảng 16 micron), và bề mặt sản phẩm nhẵn mịn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu, thiết bị và kết quả thử nghiệm được thu thập tại phòng thí nghiệm in 3D và vi lưu của Đại học Công nghệ - ĐHQGHN. Cỡ mẫu bao gồm các kênh vi lưu với kích thước chiều rộng từ 80 µm đến 600 µm, chiều cao từ 100 µm đến 600 µm, và các cảm biến điện dung tích hợp trên bảng mạch PCB.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Thiết kế mô hình: Sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế kênh vi lưu và cảm biến điện dung.
  • Mô phỏng: Dùng phần mềm COMSOL Multiphysics để mô phỏng phân bố điện thế và điện dung khi bọt khí đi qua kênh.
  • Chế tạo: Sử dụng công nghệ in 3D Inkjet với máy Objet500 Connex3 của Stratasys để tạo khuôn mẫu, sau đó đúc PDMS để tạo kênh vi lưu.
  • Thử nghiệm: Thiết lập hệ thống đo lường gồm bơm vi lưu, mạch khuếch đại vi sai, và thu thập dữ liệu bằng NI-DAQ, phân tích tín hiệu bằng LabVIEW.
  • Timeline nghiên cứu: Quá trình thiết kế, chế tạo và thử nghiệm diễn ra trong khoảng 12 tháng, từ thiết kế mô hình, in 3D khuôn mẫu, đúc PDMS, đến thử nghiệm và thu thập dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chế tạo khuôn mẫu bằng công nghệ in 3D Inkjet: Khuôn mẫu với vật liệu Rigur RGD450 cho kết quả ổn định về kích thước và độ bền, với mô đun uốn từ 1500 đến 1700 MPa và độ giãn dài khi đứt gãy từ 20-35%. Kích thước khuôn mẫu sai số khoảng +90 µm so với thiết kế do giãn nở nhiệt trong quá trình ủ.

  2. Chế tạo kênh dẫn PDMS: Sau quá trình hút chân không 30-45 phút, bọt khí trong hỗn hợp PDMS giảm đáng kể, giúp tạo kênh dẫn có kích thước trung bình chiều rộng khoảng 290 µm (so với thiết kế 200 µm). Tỷ lệ phần trăm kênh dẫn thông đạt trên 80% đối với kênh 200 µm, trong khi kênh 80 µm không khả dụng do tắc nghẽn.

  3. Cảm biến điện dung tích hợp: Cảm biến ba điện cực coplanar với khoảng cách 200 µm được chế tạo thành công trên bảng mạch PCB, lớp PDMS phủ bảo vệ có độ dày từ 30-100 µm. Tín hiệu đầu ra thay đổi rõ rệt khi bọt khí đi qua vùng cảm biến, thể hiện độ nhạy cao và khả năng phát hiện vật thể trong dòng chảy.

  4. Mô phỏng và thực nghiệm: Kết quả mô phỏng phân bố điện thế và điện dung cho thấy sự thay đổi rõ rệt khi bọt khí đi qua, phù hợp với tín hiệu thực nghiệm thu được. Biểu đồ tín hiệu đầu ra thể hiện hai xung ngược pha, tuy nhiên có sự không đối xứng do thao tác gắn kênh thủ công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân sai số kích thước kênh dẫn chủ yếu do vật liệu Rigur RGD450 giãn nở nhiệt trong quá trình ủ ở 65-70°C, điều này cần được tính toán trong thiết kế để đảm bảo kích thước chính xác. Việc hút chân không hiệu quả giúp giảm bọt khí trong PDMS, cải thiện chất lượng kênh dẫn.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng phương pháp quang khắc truyền thống, công nghệ in 3D Inkjet cho phép chế tạo nhanh chóng, giảm chi phí và không yêu cầu phòng sạch nghiêm ngặt. Tuy nhiên, thao tác gắn kênh dẫn PDMS lên đế PCB còn thủ công, gây ra hiện tượng tràn PDMS vào kênh dẫn, làm giảm tỷ lệ thông kênh và ảnh hưởng đến độ chính xác của cảm biến.

Kết quả đo thực nghiệm chứng minh tính khả thi của thiết kế cảm biến điện dung vi sai trong phát hiện bọt khí, mở ra tiềm năng ứng dụng trong các hệ thống vi lưu phân tích sinh học và y học. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tín hiệu điện dung theo thời gian và bảng tỷ lệ phần trăm kênh dẫn thông để minh họa hiệu quả chế tạo.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình gắn kết kênh dẫn PDMS: Áp dụng kỹ thuật tự động hoặc bán tự động để giảm hiện tượng tràn PDMS, nâng cao tỷ lệ kênh dẫn thông, hướng tới mục tiêu đạt trên 95% trong vòng 6 tháng, do nhóm kỹ thuật chế tạo thực hiện.

  2. Điều chỉnh thiết kế khuôn mẫu bù trừ sai số giãn nở nhiệt: Tính toán và hiệu chỉnh kích thước khuôn mẫu dựa trên đặc tính vật liệu Rigur RGD450 để đảm bảo kích thước kênh dẫn chính xác, hoàn thành trong 3 tháng, do nhóm thiết kế CAD đảm nhiệm.

  3. Phát triển hệ thống đo lường tự động: Nâng cấp phần mềm thu thập và phân tích dữ liệu để tự động nhận diện và phân loại tín hiệu bọt khí, tăng độ chính xác và giảm sai số, dự kiến hoàn thành trong 9 tháng, do nhóm nghiên cứu phần mềm thực hiện.

  4. Mở rộng ứng dụng cảm biến vi lưu: Nghiên cứu tích hợp cảm biến với các loại mẫu sinh học khác như tế bào, protein để phục vụ phân tích y sinh, với mục tiêu thử nghiệm trong vòng 12 tháng, do nhóm nghiên cứu sinh học và kỹ thuật phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu công nghệ vi lưu và MEMS: Luận văn cung cấp phương pháp thiết kế, mô phỏng và chế tạo kênh vi lưu tích hợp cảm biến điện dung, giúp phát triển các thiết bị vi cơ điện tử ứng dụng trong phân tích sinh học và y học.

  2. Kỹ sư và chuyên gia công nghệ in 3D: Tài liệu chi tiết về ứng dụng công nghệ in 3D Inkjet trong chế tạo khuôn mẫu vi lưu, giúp tối ưu quy trình sản xuất và lựa chọn vật liệu phù hợp.

  3. Chuyên gia phát triển thiết bị y sinh và phòng thí nghiệm di động: Nghiên cứu cung cấp giải pháp thiết kế thiết bị nhỏ gọn, tiết kiệm nguyên liệu, phù hợp cho các ứng dụng phân tích DNA, enzyme và proteomic ngoài phòng thí nghiệm.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật điện tử, cơ khí và công nghệ sinh học: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về quy trình nghiên cứu khoa học, từ thiết kế, mô phỏng đến chế tạo và thử nghiệm thực tế, giúp nâng cao kỹ năng nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mới.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ in 3D Inkjet có ưu điểm gì so với các phương pháp in 3D khác?
    Công nghệ Inkjet 3D cho phép in nhiều vật liệu và màu sắc trên cùng một sản phẩm với độ chính xác cao (độ dày lớp in khoảng 16 micron). Bề mặt sản phẩm nhẵn mịn, phù hợp cho các chi tiết siêu mỏng và phức tạp, đồng thời không yêu cầu môi trường phòng sạch nghiêm ngặt.

  2. Tại sao chọn vật liệu PDMS cho kênh vi lưu?
    PDMS có tính tương thích sinh học cao, dễ đúc trên khuôn vi mô, liên kết mạnh với thủy tinh, và có tính đàn hồi giúp tích hợp van, bơm trên chip. Ngoài ra, PDMS có tính kỵ nước phù hợp với nhiều ứng dụng sinh học.

  3. Làm thế nào để giảm bọt khí trong quá trình đúc PDMS?
    Sử dụng phương pháp hút chân không trong khoảng 30-45 phút giúp loại bỏ bọt khí hiệu quả, từ đó cải thiện chất lượng kênh dẫn và giảm tắc nghẽn trong kênh vi lưu.

  4. Cảm biến điện dung vi sai hoạt động như thế nào trong phát hiện bọt khí?
    Cảm biến sử dụng ba điện cực coplanar để đo sự thay đổi điện dung không tiếp xúc khi bọt khí đi qua kênh. Sự khác biệt điện dung giữa tụ điện thu và tụ điện tham chiếu tạo ra tín hiệu vi sai, giúp phát hiện chính xác sự xuất hiện của bọt khí.

  5. Sai số kích thước kênh dẫn do đâu và làm sao khắc phục?
    Sai số chủ yếu do giãn nở nhiệt của vật liệu khuôn mẫu trong quá trình ủ ở nhiệt độ cao. Giải pháp là điều chỉnh thiết kế khuôn mẫu bù trừ sai số này hoặc lựa chọn vật liệu có đặc tính nhiệt ổn định hơn.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế, mô phỏng và chế tạo thành công hệ thống kênh vi lưu tích hợp cảm biến điện dung dựa trên công nghệ in 3D Inkjet với kích thước kênh trung bình khoảng 290 µm.
  • Công nghệ in 3D Inkjet cho phép chế tạo khuôn mẫu nhanh, chính xác và giảm chi phí so với phương pháp quang khắc truyền thống.
  • Cảm biến điện dung vi sai ba điện cực coplanar có độ nhạy cao trong phát hiện bọt khí trong dòng chảy chất lỏng.
  • Kết quả thử nghiệm thực tế phù hợp với mô phỏng, chứng minh tính khả thi của thiết kế và quy trình chế tạo.
  • Đề xuất các giải pháp tối ưu quy trình gắn kết, điều chỉnh thiết kế và mở rộng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh học.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tập trung vào tự động hóa quy trình gắn kết, nâng cao độ chính xác kích thước kênh và phát triển hệ thống đo lường tự động. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm các ứng dụng của công nghệ vi lưu tích hợp cảm biến trong nghiên cứu và sản xuất thiết bị y sinh hiện đại.