Nghiên cứu áp dụng công nghệ FDM trong chế tạo sản phẩm y sinh

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

GIỚI THIỆU VỀ CÁC SẢN PHẨM Y SINH

Sản phẩm y sinh là các bộ phận nhân tạo thay thế cho những cơ quan của con người bị thoái hóa hoặc hư hỏng Việc chế tạo và cấy ghép các cơ quan nhân tạo là một quá trình tốn kém, thường dẫn đến nhu cầu bảo trì kéo dài nhiều năm, mặc dù không cần thiết cho các cơ quan tự nhiên của con người.

 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, ).

Sức khoẻ được coi là tài sản quý giá nhất trong cuộc sống, vì vậy khi sức khoẻ suy giảm, mọi người thường nỗ lực tìm kiếm các phương pháp để phục hồi và cải thiện sức khoẻ của mình.

Các sản phẩm y sinh dùng trong cấy ghép được thiết kế và chế tạo riêng biệt cho từng bệnh nhân, với nhiều loại bộ phận thay thế đa dạng như tim nhân tạo, thận nhân tạo, sọ người và khớp háng Công nghệ tạo mẫu nhanh cho phép sản xuất các bộ phận nhân tạo với những đặc điểm riêng biệt; một số bộ phận chỉ cần phần "khung", trong khi những bộ phận nội quan như gan, thận và tim yêu cầu cấy thêm mô và tế bào Hình 1.1 minh họa rõ ràng cho sự khác biệt này.

Hình 1.1 Các dạng sản phẩm y sinh

Hình 1.2 Các bộ phận của cơ thể người

Hình 1.2 mô tả cấu trúc cơ thể người, nhấn mạnh các yếu tố kỹ thuật quan trọng cho từng hệ thống Hệ tuần hoàn (tim) cần đáp ứng giới hạn mỏi, trong khi hệ thần kinh (não, tủy sống, dây thần kinh) yêu cầu tính dẫn điện và nhiệt Hệ bài tiết (da, gan, thận) cần khả năng thẩm thấu, còn hệ xương (xương, sụn, cơ, dây chằng) yêu cầu tính chất cơ học và theo module Hệ tiêu hóa (dạ dày, ruột) cần ổn định hóa học, và hệ hô hấp (phổi) yêu cầu giới hạn mỏi cùng khả năng thẩm thấu.

Các sản phẩm nhân tạo thay thế có thể giống với bộ phận thật về hình dáng hoặc chức năng sinh học Tim nhân tạo, như SynCardia Total Artificial Heart, có hình dạng khác biệt so với tim sinh học nhưng hoạt động theo nguyên lý tương tự Đây là bộ phận quan trọng trong hệ tuần hoàn, giúp duy trì sự sống Tim nhân tạo này kết hợp sinh học, cơ và điện, có khả năng thay thế tâm thất trái, tâm thất phải và bốn van tim, trong khi vẫn giữ lại các phần còn lại của tim bệnh nhân Nó hoạt động bằng một máy bơm khí nén, có thể mang trong balô, và cần pin sạc thường xuyên Loại tim này đã giúp nhiều người giành lại sự sống từ ranh giới giữa sống và chết.

Hình 1.3 So sánh tim nhân tạo SynCardia Total Artificial Heart & tim sinh học

Hình 1.4 Tim nhân tạo Abio Hình 1.5 Hệ thống tim nhân tạo Abio

Tim nhân tạo AbioCor, được sản xuất bởi AbioMed, Inc., là một loại tim nhân tạo làm từ titan và nhựa sinh học, chuyên thay thế tâm thất trái và tâm thất phải cùng với bốn van tim Nó cũng sử dụng bốn bộ phận còn lại của bệnh nhân, bao gồm tâm nhĩ trái, tâm nhĩ phải, động mạch chủ và động mạch phổi Cốt lõi của AbioCor là một chiếc bơm thủy lực, có chức năng bơm chất lỏng qua các bộ phận của tim.

Bơm thủy lực hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự như các loại bơm trong hệ thống phức tạp khác, nơi lực được tập trung tại một điểm và truyền đi qua chất lỏng không nén Động cơ của bơm quay với tốc độ 10.000 vòng/phút để tạo ra áp lực cần thiết.

 Van (valve): van đóng mở giúp máu chảy từ bên này sang bên kia các buồng tim.

Hệ thống truyền năng lượng không dây, hay còn gọi là hệ thống truyền năng lượng qua da, bao gồm hai cuộn dây: một cuộn bên trong và một cuộn bên ngoài Năng lượng được truyền từ cục pin ngoài cơ thể qua hai cuộn dây bằng dòng điện từ, mà không cần phải đâm xuyên qua da Cuộn dây bên trong nhận năng lượng và chuyển nó vào pin bên trong để vận hành thiết bị.

Tim Abio được trang bị hai loại pin: pin bên trong (pin sạc nội bộ) có thời gian sử dụng khoảng 30 – 40 phút, đủ cho bệnh nhân thực hiện các hoạt động như tắm rửa mà không cần sử dụng pin bên ngoài; pin bên ngoài (bộ pin sạc) được gắn vào một chiếc khóa dán quanh thắt lưng, có khả năng sạc lại và cung cấp năng lượng từ 4 đến 5 giờ cho bệnh nhân.

 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, nhiều nghiên cứu trên thế giới đã tập trung vào việc nuôi cấy tim người từ tế bào gốc trong phòng thí nghiệm Một ví dụ tiêu biểu là nhóm nghiên cứu tại Đại học Minnesota, Mỹ, nơi họ đã phát triển tim nhân tạo bằng cách loại bỏ tế bào cơ tim từ tim của người hiến tặng để tạo ra các "khung" tim Tiếp theo, các nhà khoa học tiêm tế bào cơ tim gốc của bệnh nhân vào các khung này, nhằm nuôi cấy thành các tế bào cơ tim khỏe mạnh Nhờ vào việc sử dụng tế bào gốc, những quả tim này có khả năng thích ứng với mô tim của bệnh nhân, cho phép chúng hoạt động bình thường.

Hình 1.6 Một công trình nuôi tim trong phòng thí nghiệm(ĐH Minnesota, Mĩ)[17]

Thận nhân tạo đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự sống, tương tự như tim nhân tạo Là một bộ phận thiết yếu của hệ tiết niệu, thận có nhiều chức năng như lọc máu, điều chỉnh điện giải, duy trì ổn định axit-bazơ, điều chỉnh huyết áp, và tái hấp thụ nước cùng các chất dinh dưỡng Đối với bệnh nhân suy thận mãn tính, thận không còn khả năng lọc độc tố, dẫn đến nguy cơ tử vong nếu không được điều trị Hiện tại, chưa có nước nào thành công trong việc phát triển thận nhân tạo có thể cấy ghép vào cơ thể, do đó, việc lọc máu chủ yếu được thực hiện thông qua phương pháp chạy thận nhân tạo.

Hình 1.7 Hệ thống chạy thận nhân tạo

Các bộ phận bên ngoài cơ thể đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống con người, giúp tạo sự cân đối và hoàn thiện Chúng mang lại cảm giác thoải mái khi giao tiếp, giảm bớt mặc cảm và giúp con người vui vẻ tận hưởng cuộc sống Hai bộ phận quan trọng trong số đó là mũi ngoài và vành tai.

Hình 1.8 Vành tai được nuôi cấy bên trong da của cánh tay bệnh nhân

Các bác sĩ tại Bệnh viện Đại học Y Dược Johns Hopkins ở Mỹ đã thành công trong việc cấy ghép một bên tai mới cho một phụ nữ bị mất tai do ung thư Họ đã sử dụng sụn từ các bộ phận khác trên cơ thể để tạo ra vành tai, sau đó nuôi dưỡng nó trên cánh tay trong hơn 4 tháng trước khi thực hiện ghép vào đầu Kết quả cho thấy tai cấy ghép hoạt động tốt.

Các chuyên gia tại Đại học College London đã thành công trong việc nuôi cấy mũi người từ tế bào gốc của bệnh nhân Họ sử dụng khuôn thủy tinh để tạo hình cho chiếc mũi, sau đó phun vật liệu tổng hợp để tạo khung cho tế bào gốc phát triển Sau khi gỡ bỏ khuôn, các nhà khoa học cấy tế bào gốc lên khung và sau đó cấy khung này vào bên trong da cánh tay của bệnh nhân Chiếc mũi mới được tạo ra cũng chứa các dây thần kinh và mạch máu tương tự như lớp da từ cánh tay của bệnh nhân.

Hình 1.9 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 đã phát triển vành tai và mũi ngoài có cấy ghép tế bào, trong khi đó, nghệ sĩ tạo hiệu ứng Hollywood Alec Gillis đã chế tạo chiếc mũi giả không cần cấy ghép tế bào Chiếc mũi này được gắn lên vùng mũi bị khuyết của bệnh nhân bằng keo, nam châm hoặc kẹp ghim trên mắt kính, với mục đích chính là cải thiện thẩm mỹ cho khuôn mặt bệnh nhân.

Hình 1.10 Mũi giả không có nuôi cấy tế bào

Hình 1.11 Bệnh nhân trước và sau khi gắn mũi giả

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Hiện nay, việc cấy ghép chủ yếu phụ thuộc vào nguồn hiến tặng và ngân hàng mô, gây khó khăn trong việc cứu sống bệnh nhân Do đó, nhu cầu về sản phẩm y sinh tăng cao nhằm thay thế các bộ phận hư hỏng Một số nghiên cứu trong nước đã ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh để chế tạo các chi tiết cấy ghép sọ não và chân giả, nhưng chưa có nghiên cứu về ứng dụng công nghệ FDM trong chế tạo mũi nhân tạo và giàn giáo tim Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu áp dụng công nghệ FDM trong chế tạo sản phẩm y sinh” là cần thiết để phát triển phương pháp chế tạo các sản phẩm y sinh thay thế.

MỤC TIÊU LUẬN VĂN

Luận văn có mục tiêu sau:

- Nghiên cứu, nắm vững công nghệ FDM trong chế tạo giàn giáo mô, ứng dụng trong chế tạo mũi người nhân tạo, giàn giáo tim.

NỘI DUNG LUẬN VĂN

Từ các mục tiêu đề ra, luận văn cần có những nội dung sau đây:

- Nghiên cứu cấu trúc và tính chất giàn giáo mô đáp ứng yêu cầu trong lĩnh vực y sinh.

- Nghiên cứu các kĩ thuật chế tạo giàn giáo mô.

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

2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ GIÀN GIÁO MÔ

TỔNG QUAN VỀ GIÀN GIÁO MÔ

TỔNG QUAN VỀ GIÀN GIÁO MÔ

Sản phẩm y sinh được phát triển từ kỹ thuật mô nhằm thay thế các cơ quan, bộ phận hư hỏng của con người, giúp hiểu rõ hơn về tiến trình sinh học Một bước quan trọng trong việc tạo ra bộ phận cấy ghép là chế tạo khung xốp rỗng, hay còn gọi là giàn giáo mô, để tế bào có thể cư trú và phát triển Các giàn giáo này được sản xuất bằng nhiều phương pháp như FDM, 3D Printing, SLA, đúc nóng chảy và đông khô nhũ tương, mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng cần được phân tích để chọn lựa tối ưu Hình 2.1 minh họa quá trình chế tạo giàn giáo với sự hỗ trợ của máy tính, kết hợp giữa cơ khí và sinh học trong việc sinh thiết mô, gieo tế bào và nuôi cấy để tạo thành mô, cuối cùng là cấy ghép vào cơ thể Sự hợp tác giữa các lĩnh vực khoa học này giúp duy trì toàn vẹn cơ thể về mặt vật lý và hóa sinh thông qua việc chế tạo các bộ phận thay thế.

Hình 2.1 Kĩ thuật mô có sự hỗ trợ của máy tính (Computer - Aided Tissue Engineering

2.1.1 Nền tảng về kĩ thuật mô

Kĩ thuật mô là một lĩnh vực liên ngành kết hợp giữa khoa học kĩ thuật và sinh học, nhằm phát triển các sản phẩm sinh học thay thế để phục hồi, duy trì hoặc cải thiện chức năng của mô và các cơ quan trong cơ thể.

Kĩ thuật mô là sự kết hợp của tế bào, kĩ thuật, vật liệu và các yếu tố hóa sinh, lí hóa nhằm thay thế các bộ phận cơ thể và mô hư hỏng Ba thành phần chính của kĩ thuật mô bao gồm tế bào, giàn giáo mô và yếu tố tăng trưởng Mặc dù ban đầu được coi là một ngành trong vật liệu sinh học, kĩ thuật mô đã phát triển thành một lĩnh vực độc lập quan trọng Lĩnh vực này nhằm thu hẹp khoảng cách giữa kĩ thuật và y học, kết hợp thiết kế và kĩ năng giải quyết vấn đề kĩ thuật với khoa học y tế và sinh học để cải thiện chăm sóc sức khỏe.

Hình 2.3 Tương quan giữa thiết kế kĩ thuật và phát triển sinh học

Tế bào là đơn vị sống cơ bản, đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc và chức năng của tất cả các sinh vật Sinh vật đơn bào, như vi khuẩn, chỉ có một tế bào, trong khi sinh vật đa bào, như con người, được cấu tạo từ khoảng 10^14 tế bào Trong kỹ thuật mô, nhiều loại tế bào khác nhau được sử dụng để nghiên cứu và ứng dụng trong y học.

Tế bào gốc là những tế bào đặc biệt có khả năng biến đổi thành nhiều loại tế bào khác nhau, giúp thay thế cho các tế bào đã mất do quá trình lão hóa, chết tự nhiên hoặc chấn thương Quá trình này, gọi là biệt hóa, diễn ra khi tế bào gốc chuyển đổi từ trạng thái không chuyên biệt sang trạng thái chuyên hóa Các nguồn khai thác tế bào gốc bao gồm máu cuống rốn, tuỷ xương, mô mỡ và máu ngoại vi, cung cấp cơ hội cho việc điều trị và phục hồi sức khỏe.

 Tế bào tự thân (autologous) là loại tế bào được lấy từ chính cơ thể người bệnh.

 Tế bào gốc tự thân (autologous stem cell) là tế bào gốc được lấy từ chính cơ thể người bệnh.

Cơ thể đa bào thường không chỉ có một tế bào đơn lẻ thực hiện chức năng, mà là một tập hợp tế bào tạo thành mô Mô là nhóm tế bào chuyên hóa có cấu trúc tương đồng, cùng thực hiện một chức năng cụ thể Mỗi loại mô đảm nhận một nhiệm vụ riêng, như cấu trúc (ví dụ: xương, sụn, da) hoặc trao đổi chất (ví dụ: gan, tuyến tụy), hoặc cả hai Cơ thể người và động vật bao gồm bốn loại mô chính.

Mô biểu bì là loại mô bao gồm các tế bào lót trong các khoang trống và bề mặt của các cấu trúc trong cơ thể, với chức năng chính là bảo vệ các tổ chức bên trong.

Mô liên kết là loại mô phổ biến nhất trong cơ thể, hiện diện ở hầu hết các bộ phận và xen kẽ giữa các mô khác, giúp chúng gắn bó với nhau Có hai loại mô liên kết chính.

 Mô liên kết dinh dưỡng: có mật độ mềm và có mặt ở khắp nơi trong cơ thể.

 Mô liên kết cơ học gồm có mô xương và mô sụn, chúng là bộ khung của cơ thể.

• Mô sụn: có chứa cartilagein (chất sụn), có mật độ rắn vừa phải.

• Mô xương : có chứa ossein và muối canxi nên mật độ rắn.

Ngoài ra còn có mô liên kết dạng sợi vừa có chức năng dinh dưỡng vừa có chức năng cơ học.

− Mô cơ: Gồm các tế bào có hình dạng kéo dài Chức năng của mô cơ là co, dãn, tạo nên sự vận động, tạo nhiệt cho cơ thể.

 Mô cơ trơn: tạo nên thành nội quan như dạ dày, ruột, mạch máu, bóng đái

 Mô cơ vân (cơ xương): thường gắn với xương.

 Mô cơ tim: tạo nên thành tim.

Mô thần kinh bao gồm các tế bào thần kinh neuron và tế bào thần kinh đệm neuroglia, có vai trò quan trọng trong việc tiếp nhận kích thích, xử lý thông tin và điều hòa hoạt động của các cơ quan Chức năng này đảm bảo sự phối hợp giữa các cơ quan và khả năng thích ứng với môi trường xung quanh.

Trong cơ thể bình thường, tế bào chỉ có khả năng tự chữa lành và tái tạo mô thông qua quá trình sinh sôi, biệt hóa, và trao đổi tín hiệu giữa các tế bào Sự hình thành ma trận ngoại bào cũng đóng vai trò quan trọng trong các phương pháp kỹ thuật mô Do đó, các nhà khoa học và bác sĩ có thể sử dụng tế bào gốc để tạo ra tế bào mới, thay thế cho các tế bào già, tổn thương hoặc bị mất.

Ma trận ngoại bào (ECM) là cấu trúc bao gồm các sợi protein và glycosaminoglycans (GAG) nằm bên ngoài tế bào, cung cấp hỗ trợ cho sự bám dính, di chuyển, biệt hóa và trao đổi tín hiệu của tế bào, từ đó thúc đẩy quá trình tái sinh và chữa lành vết thương GAG, với đặc tính polymer không phân nhánh, chủ yếu hiện diện trên bề mặt tế bào trong ECM, có độ nhớt cao và độ nén thấp, làm cho nó trở thành chất lỏng bôi trơn lý tưởng cho các khớp xương Hơn nữa, độ cứng của GAG không chỉ cung cấp cấu trúc cho tế bào mà còn tạo ra các lối đi giữa các tế bào, cho phép chúng cư trú và tương tác hiệu quả.

Khi tổn thương xảy ra, ECM đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn dắt các tế bào đến vùng bị thương và hỗ trợ tiểu cầu trong việc gắn kết, biệt hóa, tái tạo mạch máu và cuối cùng là chữa lành vết thương Nếu tổn thương quá nặng gây hại cho ECM, sẽ không còn giàn giáo để tế bào di chuyển và thực hiện quá trình chữa lành Do đó, một ECM tạm thời, hay còn gọi là giàn giáo mô, được sử dụng để cung cấp cấu trúc hỗ trợ tế bào trong quá trình này.

2.1.2 Nền tảng về giàn giáo mô

Giàn giáo mô (tissue scaffold) là cấu trúc 3D được chế tạo từ vật liệu sinh học, có hệ thống lỗ hổng kết nối, nhằm cung cấp tín hiệu cơ học và sinh học Chức năng của giàn giáo mô là hỗ trợ quá trình biệt hóa tế bào, từ đó hình thành các mô hoặc cơ quan chức năng ba chiều theo yêu cầu.

Hình 2.4 Mô hình giàn giáo mô

Giàn giáo mô được làm từ vật liệu sinh học tương thích, với các khe hở phân tán tạo không gian sống cho tế bào Những khe hở này cho phép tế bào xâm nhập vào giàn giáo, từ đó thúc đẩy quá trình chữa lành vết thương.

Giàn giáo mô đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ các tế bào bằng cách mô phỏng cấu trúc của ECM, giúp tế bào có thể gắn kết, di chuyển và sinh sản Nó cung cấp các khe hở để vận chuyển chất dinh dưỡng và loại bỏ chất thải, đồng thời tạo ra các tín hiệu cơ học và hóa học ảnh hưởng đến sự biệt hóa của tế bào.

2.1.3 Cấu trúc và tính chất giàn giáo mô

VẬT LIỆU SINH HỌC TRONG CHẾ TẠO GIÀN GIÁO MÔ

Vật liệu sinh học đóng vai trò quan trọng trong sản xuất các sản phẩm từ kỹ thuật mô, giúp điều chỉnh phản ứng tế bào và hỗ trợ sự phát triển cũng như tái tạo mô thông qua giàn giáo mô Các tính chất thiết yếu của vật liệu sinh học là điều kiện cần thiết để chế tạo giàn giáo mô hiệu quả.

Phân hủy sinh học là quá trình mà vật liệu chế tạo giàn giáo mô phải hoàn toàn phân hủy, chỉ để lại các mô tái sinh mới Việc kiểm soát tốc độ phân hủy rất quan trọng để đảm bảo sự phát triển tế bào và hình thành tổ chức mô diễn ra một cách tối ưu.

Hấp thụ sinh học là quá trình quan trọng sau khi cấy ghép, trong đó mô tái sinh mới cần được trao đổi chất và hấp thụ bởi các mô của cơ thể người nhận để đảm bảo sự thành công của ca phẫu thuật.

Tương thích sinh học là khả năng của vật liệu để tương tác một cách tích cực với mô chủ, giúp ngăn chặn các phản ứng không mong muốn xảy ra đối với mô cấy ghép.

Nhiều loại mô sinh học yêu cầu vật liệu có tính chất cơ học phù hợp như độ bền, độ giòn, độ nhớt đàn hồi và độ dẻo Cụ thể, mô xương cần giàn giáo bằng PCL cứng hơn, trong khi mô thần kinh lại yêu cầu giàn giáo chitosan mềm.

Các vật liệu sinh học được sử dụng trong chế tạo giàn giáo mô gồm các loại polymer tổng hợp và polymer tự nhiên.

Các loại polymer tổng hợp phổ biến trong kỹ thuật mô bao gồm PCL (Poly ε-Caprolactone), PLA (Poly Lactic Acid), PGA (Poly Glycolic Acid) và PLGA (Poly Lactic – Co – Glycolic Acid).

PCL là một polymer bán tinh thể với tính tương thích sinh học cao Polymer này sở hữu các đặc tính cơ học tốt và khả năng phân huỷ có thể điều chỉnh thông qua việc pha trộn hoặc đồng trùng hợp với các polyeste khác Đặc biệt, PCL có tốc độ phân huỷ chậm hơn so với hầu hết các polymer sinh học khác.

PLA là một loại polymer nhiệt dẻo, phân hủy sinh học, có nguồn gốc từ thực vật, với khả năng kị nước và hòa tan trong dung môi hữu cơ PLA phân hủy chậm hơn PGA và tạo thành axit lactic, một chất không độc hại được hình thành trong quá trình trao đổi chất của tất cả các loài động vật và vi sinh vật Chính vì vậy, PLA thường được sử dụng để chế tạo giàn giáo trong các ứng dụng y sinh.

 PGA :là chất ưa nước và nhạy cảm với môi trường của nó, có độ kết tinh cao, và có xu hướng phân hủy trong dung dịch nước.

PLGA là một loại copolymer được tạo ra từ sự đồng trùng hợp giữa axit polyglycolic (PGA) và axit polylactic (PLLA), với tỷ lệ khác nhau nhằm tối ưu hóa các tính chất cơ học cũng như khả năng phân huỷ Do PGA và PLLA không thể kết hợp chặt chẽ, PLGA có cấu trúc vô định hình và tốc độ phân huỷ nhanh hơn.

Ngoài ra, một số loại polymer tổng hợp khác cũng được sử dụng làm vật liệu sinh học trong kỹ thuật mô.

Polyhydroxyalkanonate (PHA) là một loại polymer nhiệt dẻo có tính chất đa dạng tùy thuộc vào thành phần cấu tạo Loại polymer này được ứng dụng rộng rãi trong ngành y tế, bao gồm việc sản xuất chỉ khâu, đinh tán và ghim y tế.

Polyurethane (PU) là một loại polymer được tạo ra từ phản ứng giữa glycol và isocyanate Với những ưu điểm nổi bật như tính tương thích mô, độ bền và tính dẻo, PU ngày càng được ứng dụng rộng rãi như một vật liệu sinh học.

Poly (2-hydroxyethyl methacrylate) hay PHEMA là một loại polymer có khả năng tạo thành hydrogel, một dạng vật liệu hút nước trong môi trường nước PHEMA thường được ứng dụng trong việc chế tạo kính sát tròng và giác mạc nhân tạo, nhờ vào tính chất sinh học và khả năng tương thích cao với cơ thể.

Hai nhóm polymer tự nhiên phổ biến trong ứng dụng kỹ thuật mô bao gồm polymer dựa trên protein và polymer dựa trên carbohydrate Polymer dựa trên protein như collagen, gelatin và fibrin, trong khi polymer dựa trên carbohydrate, còn gọi là polysaccarit, bao gồm chitosan, axit hyaluronic và alginate.

Collagen là loại protein chiếm ưu thế nhất trong cơ thể, đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các mô Nếu thiếu collagen, cơ thể con người sẽ trở nên rời rạc và thiếu sự liên kết.

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO GIÀN GIÁO MÔ

Có 2 kĩ thuật chế tạo giàn giáo mô: kĩ thuật thông thường tạo ra giàn giáo mô có các khe hở phân tán ngẫu nhiên theo kích thước và hướng khác nhau, kĩ thuật tạo mẫu nhanh có khả năng tạo ra giàn giáo mô với vị trí, kích thước, hướng của khe hở được kiểm soát.

Hình 2.5 Giàn giáo chế tạo thông qua phương pháp truyền thống (A) và phương pháp tạo mẫu nhanh (B)[4]

2.3.1 Kĩ thuật chế tạo thông thường

Kĩ thuật chế tạo thông thường cho các giàn giáo mô bao gồm đúc dung môi, đông khô nhũ tương, đúc nóng chảy,

Sụn, xương, van, bàng quang, da, cơ bắp, dây thần kinh, mạch máu, mô tim, gan, …

Chỉ khâu y tế, đinh tán, đinh bấm, ghim, đinh, van tĩnh mạch, giàn giáo tuỷ xương, băng vết thương…

PU Bề mặt mạch máu, ổ cối của bộ phận hông nhân tạo

PHEMA Dây thần kinh, kính sát tròng, giác mạc nhân tạo, …

2.3 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO GIÀN GIÁO MÔ

Có 2 kĩ thuật chế tạo giàn giáo mô: kĩ thuật thông thường tạo ra giàn giáo mô có các khe hở phân tán ngẫu nhiên theo kích thước và hướng khác nhau, kĩ thuật tạo mẫu nhanh có khả năng tạo ra giàn giáo mô với vị trí, kích thước, hướng của khe hở được kiểm soát.

Hình 2.5 Giàn giáo chế tạo thông qua phương pháp truyền thống (A) và phương pháp tạo mẫu nhanh (B)[4]

2.3.1 Kĩ thuật chế tạo thông thường

Kĩ thuật chế tạo thông thường cho các giàn giáo mô bao gồm đúc dung môi, đông khô nhũ tương, đúc nóng chảy,

Sụn, xương, van, bàng quang, da, cơ bắp, dây thần kinh, mạch máu, mô tim, gan, …

Chỉ khâu y tế, đinh tán, đinh bấm, ghim, đinh, van tĩnh mạch, giàn giáo tuỷ xương, băng vết thương…

PU Bề mặt mạch máu, ổ cối của bộ phận hông nhân tạo

PHEMA Dây thần kinh, kính sát tròng, giác mạc nhân tạo, …

2.3 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO GIÀN GIÁO MÔ

Có 2 kĩ thuật chế tạo giàn giáo mô: kĩ thuật thông thường tạo ra giàn giáo mô có các khe hở phân tán ngẫu nhiên theo kích thước và hướng khác nhau, kĩ thuật tạo mẫu nhanh có khả năng tạo ra giàn giáo mô với vị trí, kích thước, hướng của khe hở được kiểm soát.

Hình 2.5 Giàn giáo chế tạo thông qua phương pháp truyền thống (A) và phương pháp tạo mẫu nhanh (B)[4]

2.3.1 Kĩ thuật chế tạo thông thường

Kĩ thuật chế tạo thông thường cho các giàn giáo mô bao gồm đúc dung môi,đông khô nhũ tương, đúc nóng chảy,

2.3.1.1 Đúc dung môi (Solvent casting)

Phương pháp sử dụng các chất tạo khe hở như NaCl và NaNO3 để hình thành giàn giáo xốp bắt đầu bằng cách phân tán các phần tử này vào dung dịch polymer như PLLA hoặc PLGA trong dung môi cloroform Hỗn hợp muối và polymer được đun nóng đến nhiệt độ làm nóng chảy polymer mà không làm ảnh hưởng đến muối, sau đó được làm nguội với tốc độ từ 5 - 20 °C/phút, điều này ảnh hưởng đến độ kết tinh và tốc độ phân hủy sau khi cấy ghép Sau khi bay hơi dung môi, ma trận polymer dính các hạt muối sẽ được ngâm trong nước hoặc dung môi để hòa tan muối, tạo thành giàn giáo xốp Độ xốp của giàn giáo phụ thuộc vào lượng muối và kích thước khe hở phụ thuộc vào kích thước tinh thể muối, tuy nhiên công nghệ này chỉ hiệu quả với màng giàn giáo mỏng.

2.3.1.2 Đông khô nhũ tương (Emulsion Freeze-drying) Đầu tiên, một polymer tổng hợp được hòa tan vào dung môi thích hợp (ví dụ như PGA hoặc PLGA trong dung môi Diclometan CH2Cl2) tạo thành dung dịch polymer, sau đó thêm nước tinh khiết vào dung dịch polymer và hai chất lỏng được trộn lẫn tạo ra nhũ tương nước trong dầu Đây là một hệ phân tán cao của 2 chất lỏng (nước, dung dịch polymer) không hoà tan vào nhau trong đó thể trong (thể được phân tán) là các giọt nước phân tán trong thể ngoài (chất phân tán) là dung dịch polymer Kế đến, nhũ tương được đổ vào trong khuôn, và được làm lạnh nhanh bằng cách nhúng khuôn vào nitơ lỏng, tạo thành khối rắn Sau đó, khối rắn được đông khô để tách nước và dung môi, tạo thành một giàn giáo xốp Phương pháp này không thể kiểm soát chính xác kích thước khe hở[9, 11, 12].

Hình 2.7 Các bước thực hiện trong phương pháp Đông khô nhũ tương

2.3.1.3 Đúc nóng chảy (Melt moulding) Đầu tiên, đổ bột PLGA với vi cầu gelatin vào khuôn teflon Tiếp theo, khuôn được nén lại làm các hạt PLGA kết dính lại với nhau Sau đó, khuôn được làm nguội, rồi phá huỷ khuôn để lấy giàn giáo mô, đem giàn giáo mô đi ngâm nước để hoà tan gelatin, rồi sấy khô sẽ được giàn giáo mô mong muốn Giàn giáo mô được chế tạo theo phương pháp này phụ thuộc vào hình dạng của khuôn Do khi lấy giàn giáo ra khỏi khuôn cần phải phá huỷ khuôn, nên phương pháp này không thể chế tạo các giàn giáo một cách thống nhất và không thể dùng khuôn để tái sản xuất[2, 12].

Hình 2.8 Các bước thực hiện trong phương pháp Đúc nóng chảy

 Nhận xét:Việc áp dụng các kĩ thuật thông thường bị hạn chế do:

Thiếu kiểm soát chính xác các thông số như kích thước khe hở, kết nối giữa các khe hở, độ xốp và phân bố không gian của các khe hở bên trong giàn giáo có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình chế tạo Các kỹ thuật hiện tại không đủ khả năng kết hợp các tế bào và protein do thường phải thực hiện trong điều kiện khắc nghiệt, chẳng hạn như nhiệt độ cao hoặc trong sự hiện diện của các dung môi.

Thao tác thủ công là quá trình chế tạo dựa vào kỹ năng và kinh nghiệm của kỹ thuật viên, đòi hỏi nhiều lao động và thời gian.

- Quy trình sản xuất không phù hợp, tính lặp lại của quá trình kém.

- Sử dụng các dung môi hữu cơ độc hại, các cặn độc hại có thể dính lại trên các thành dày.

- Hình dạng hạn chế: chỉ chế tạo được các giàn giáo rất mỏng (ít hơn 300 àm) và đơn giản.

2.3.2 Kĩ thuật tạo mẫu nhanh

Kỹ thuật tạo mẫu nhanh đã trở thành phương pháp phổ biến trong việc chế tạo giàn giáo mô, cho phép xử lý vật liệu rắn, lỏng hoặc bột theo từng lớp Phương pháp này đặc biệt phù hợp cho việc xây dựng các cấu trúc phức tạp nhờ vào tính linh hoạt của nó trong quá trình chế tạo.

Trong quá trình sản xuất, sợi nhựa nhiệt dẻo được đưa vào bộ phận hóa lỏng qua các con lăn cấp liệu và được cung cấp cho đầu đùn Đầu đùn, được điều khiển bởi máy tính, có khả năng di chuyển theo ba phương: ngang, dọc và đứng, nhờ vào động cơ bước hoặc động cơ servo Vật liệu đùn được trải lên bề mặt của tấm đế theo đúng hình dạng cắt của mẫu, với lớp vật liệu cứng nhanh hơn và liên kết tốt với các lớp bên dưới nhờ tấm đế duy trì ở nhiệt độ thấp Sau khi hoàn thành một lớp, đầu đùn sẽ dịch chuyển lên một đoạn bằng chiều cao lớp để tạo lớp tiếp theo, và quá trình này lặp lại cho đến khi sản phẩm hoàn thiện.

Hình 2.9 Nguyên lí của công nghệ FDM

Hình dạng của giàn giáo mô được điều chỉnh thông qua các thông số quan trọng như chiều rộng sợi đùn, khoảng cách đùn, chiều cao đùn và hướng sợi đùn Những yếu tố này quyết định đến cấu trúc và hiệu suất của giàn giáo mô.

Hình 2.10 Các thông số đùn của công nghệ FDM

Trong công nghệ in 3D, quá trình tạo mẫu nhanh bắt đầu khi con lăn trải một lớp bột mỏng lên bàn máy Sau đó, vòi phun sẽ phun dung dịch kết dính để tạo ra chi tiết đầu tiên Sau mỗi lớp hoàn thành, piston sẽ hạ xuống một đoạn bằng chiều dày lớp vật liệu trước đó, cho phép máy 3D tiếp tục in các lớp tiếp theo Quá trình này được lặp lại cho đến khi toàn bộ vật thể được hoàn thành.

Hình 2.11 Nguyên lí công nghệ 3D Printing

SLA (Stereolithography) sử dụng tia laser và nhựa lỏng nhạy quang để tạo ra các cấu trúc ba chiều Trong quá trình in, bàn máy bắt đầu từ lớp đầu tiên dưới bề mặt chất lỏng, nơi tia laser sẽ hoá cứng lớp này Bề mặt nhựa tiếp xúc với tia laser tạo ra mặt cắt ngang của vật thể Khi mặt cắt này đã được hoá cứng, piston di chuyển xuống và một thanh quét qua lớp trước để phủ thêm nhựa mới, tiếp tục hoá cứng theo hình dạng mong muốn Sau khi in xong, phần nhựa hoá cứng chưa hoàn toàn sẽ được loại bỏ, và phần còn lại sẽ được xử lý thêm bằng tia laser để đạt độ bền tối đa.

Hình 2.12 Nguyên lí công nghệ SLA Bảng 2.3 So sánh các kĩ thuật chế tạo giàn giáo mô khác nhau[2]

Kích thước khe hở (àm) Độ xốp

(%) Ưu điểm Nhược điểm Đúc dung môi

- Phạm vi kích thước khe hở lớn.

- Kiểm soát được độ xốp và kích thước khe hở.

- Thiếu độ bền cơ học.

- Dung môi hữu cơ độc hại và bã của các chất phụ gia. Đông khô nhũ tương

- Cấu trúc độ xốp cao.

- Sự kết nối giữa các khe hở cao.

- Giới hạn đối với kích thước khe hở nhỏ.

- Không kiểm soát được kích thước khe hở. Đúc nóng 50 – 500 < 80 - Kiểm soát được độ xốp và kích thước khe

- Không có tính lặp chảy hở.

- Phạm vi kích thước khe hở lớn. lại.

- Phạm vi kích thước khe hở lớn.

- Đòi hỏi phải có vật liệu đỡ đối với các hình dạng không đều.

- Kiểm soát được độ xốp và kích thước khe hở.

- Giới hạn đối với kích thước khe hở nhỏ.

- Thiếu độ bền cơ học.

- Dung môi hữu cơ độc hại.

- Tạo sản phẩm có bề mặt tốt.

- Các polymer nhạy quang và các chất phân huỷ từ nó rất độc hại đối với tế bào.

- Quá trình hoá cứng giải phóng các gốc tự do gây hại cho các tế bào.

Các kỹ thuật tạo mẫu nhanh đã khắc phục nhược điểm của các phương pháp truyền thống nhờ vào cơ chế tự động hóa, khả năng lặp lại cao và tiết kiệm thời gian Đặc biệt, công nghệ FDM không sử dụng dung môi độc hại, cho phép tạo ra giàn giáo có hình dạng phức tạp với độ bền tốt và kích thước khe hở lớn Hơn nữa, máy tạo mẫu nhanh FDM có giá thành hợp lý, cấu trúc đơn giản, dễ dàng chế tạo và phát triển sản phẩm theo ý muốn, vì vậy tôi đã chọn công nghệ FDM để nghiên cứu và áp dụng trong chế tạo sản phẩm y sinh.

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

2.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Tác giả Hai-Yan Qin đã thực hiện luận văn về việc chế tạo giàn giáo tai người bằng vật liệu polyurethane qua công nghệ FDM, với mục tiêu tái tạo vành tai cho bệnh nhân Chung Nghiên cứu áp dụng công nghệ tạo mẫu nhanh FDM để sản xuất giàn giáo cho vành tai, sau đó cấy tế bào sụn lên giàn giáo và nuôi cấy, nhằm dần hình thành vành tai.

Hình 2.13 Giàn giáo vành tai được chế tạo bằng công nghệ FDM a b.

Hình 2.14 Tai của cậu bé Chung trước (a) và sau (b) khi cấy ghép

Tác giả Sjoerd van Tuijl đã nghiên cứu về việc chế tạo giàn giáo van tim ba lá bằng vật liệu Polycaprolactone thông qua công nghệ FDM, với mục tiêu cải thiện chức năng của van tim thay thế, vốn có thời gian sử dụng hạn chế Nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc áp dụng kỹ thuật mô để tạo ra van tim từ tế bào tự thân, giúp nâng cao hiệu quả cấy ghép Kết quả thực nghiệm cho thấy công nghệ FDM là phương pháp phù hợp để sản xuất giàn giáo bằng vật liệu PCL, đồng thời mở ra hướng nghiên cứu mới nhằm giảm kích thước khe hở trong quá trình chế tạo.

Tác giả Christopher Lam Xu Fu trong luận văn thạc sĩ “Phát triển và nghiên cứu sự phân hủy của giàn giáo Polycaprolactone hoạt tính sinh học dùng trong kĩ thuật mô xương” đã nghiên cứu nâng cao tính chất của giàn giáo mô cho ứng dụng kĩ thuật mô xương bằng cách kết hợp Tri-calcium Phosphate (TCP) với kích thước hạt nhỏ hơn 60μm Ông mô tả quy trình thiết kế và chế tạo giàn giáo mô hấp thụ sinh học bằng công nghệ FDM, sử dụng máy tạo mẫu nhanh FDM 3000 với vật liệu sinh học PCL và hỗn hợp PCL-TCP (TCP chiếm 20% khối lượng) dưới dạng sợi tóc có đường kính ∅1,70±0,10 mm Nghiên cứu cũng bao gồm các phân tích thực nghiệm về nhiệt độ hoá lỏng tối ưu của vật liệu, khả năng phân hủy sinh học của giàn giáo PCL và PCL-TCP, độ hụt khối lượng giữa giàn giáo và nguyên vật liệu ban đầu, độ xốp cũng như tính chất cơ học.

Các tác giả E Sachlos và J.T Czernuszka đã thực hiện nghiên cứu về "Đánh giá hoạt động chế tạo giàn giáo mô trong ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh SFF vào sản xuất giàn giáo mô" Mục đích nghiên cứu là phân tích các kỹ thuật chế tạo giàn giáo mô thông thường, chỉ ra những hạn chế của chúng và nhấn mạnh nhu cầu tìm kiếm các kỹ thuật mới để sản xuất giàn giáo có cấu trúc bên trong phức tạp Đặc biệt, nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng công nghệ SFF (Solid Freeform Fabrication) để tạo ra giàn giáo với vi cấu trúc phức tạp Các tác giả cũng đã xem xét các công nghệ SFF hiện đang được áp dụng trong chế tạo giàn giáo.

2.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Các đề tài được thực hiện liên quan đến ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong chế tạo sản phẩm y sinh dùng trong cấy ghép:

1 - Tác giả Nguyễn Ngọc Trọng đã thực hiện luận văn thạc sĩ (2011) với đề tài

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ FDM 200mc trong việc gia công chân giả người đã phân tích các công nghệ chế tạo chân giả hiện nay và so sánh các phương pháp tạo mẫu nhanh như SLA, SLS, 3D Printer, LOM và FDM Tác giả đã chọn công nghệ FDM cho quy trình chế tạo chân giả, trình bày các bước từ thiết kế chân giả, chuyển đổi sang file STL, điều chỉnh thông số máy cho đến hậu xử lý Cuối cùng, nghiên cứu tiến hành thực nghiệm để khảo sát khả năng công nghệ và độ chính xác của chân giả trong thực tế.

2- Các tác giả Đặng Văn Nghìn, Bùi Anh Quốc, Lê Tâm Phước, Trần Đại Nguyên, và các tác giả khác thực hiện nghiên cứu với đề tài “Ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh tạo chi tiết cấy ghép sọ não” [6], mục đích là nghiên cứu tái tạo chi tiết cấy ghép sọ não bằng phương pháp tạo mẫu nhanh SLA Trước đây, khi thực hiện các ca phẫu thuật cấy ghép sọ, bác sĩ thường theo quy trình sau : đầu tiên họ mổ chỗ khuyết ra rồi dựa trên chỗ khuyết họ sẽ nắn vật liệu ximăng y học bằng tay rồi đặt vào ướm thử Sau khi có mẫu vừa ý, bác sĩ sẽ khâu lại Phương pháp này có nhược điểm mảnh ghép không sát với vùng khuyết, kéo dài thời gian mổ làm ảnh hưởng đến sức khỏe bệnh nhân Đối với những vùng khuyết lớn phương pháp này không thực hiện được do thời gian khô của xi măng rất nhanh Ngoài ra, tính thẩm mỹ của chi tiết cấy ghép còn phụ thuộc nhiều vào tay nghề của bác sĩ. Đề tài này đưa ra một quy trình tạo chi tiết cấy ghép sọ não cho các bệnh nhân bằng công nghệ tạo mẫu nhanh Hình dáng mảnh cấy ghép có được từ việc xử lí dữ liệu chụp cắt lớp của bệnh nhân nhờ phần mềm MIMICS nên chính xác hơn làm bằng tay Từ mô hình 3 chiều của mảnh cấy ghép ta tiến hành xử lí mô hình bằng phần mềm kĩ thuật ngược Geomagic, kế đến tạo mẫu nhanh mô hình, rồi tạo bộ khuôn thạch cao,sau đó đúc chi tiếp ghép Các hình vẽ từ 2.15 đến 2.20 trình bày quy trình tạo mẫu nhanh sọ não và quy trình tạo bộ khuôn thạch cao.

Hình 2.15 Tổng thể của quy trình chế tạo chi tiết cấy ghép bằng công nghệ tạo mẫu nhanh

Hình 2.16 Giao diện của MIMICS Hình 2.17 Mô hình 3D của sọ khuyết

Hình 2.20 Quy trình chế tạo bộ khuôn thạch cao

Sản phẩm tạo mẫu nhanh và sản phẩm đúc từ bộ khuôn thạch cao, như minh họa ở hình 2.21 và 2.22, đã mang lại công cụ mới cho các bác sĩ trong phẫu thuật cấy ghép sọ Những chi tiết cấy ghép này không chỉ có tính thẩm mỹ cao mà còn được thiết kế phù hợp với từng bệnh nhân, giúp rút ngắn thời gian phẫu thuật và thời gian gây mê Điều này dẫn đến việc bệnh nhân có thời gian nằm viện ngắn hơn so với các phương pháp phẫu thuật cũ.

Trong nước đã có nhiều nghiên cứu về công nghệ tạo mẫu nhanh trong chế tạo chi tiết cấy ghép sọ não và chân giả, nhưng vẫn thiếu các công trình ứng dụng công nghệ FDM trong chế tạo mũi nhân tạo và giàn giáo tim Tình hình nghiên cứu hiện tại cho thấy cần ưu tiên phát triển giàn giáo mô, trong khi ứng dụng công nghệ sinh học cho việc cấy ghép tế bào có thể thực hiện sau.

3 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ SẢN PHẨM Y SINH

THIẾT KẾ SẢN PHẨM Y SINH BẰNG KĨ THUẬT NGƯỢC

NGUYÊN LÍ CƠ BẢN CỦA KĨ THUẬT NGƯỢC

Quá trình thiết kế đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu và phát triển sản phẩm Bắt đầu với việc người thiết kế phác thảo hình ảnh sản phẩm dựa trên ý tưởng, tiếp theo là tối ưu hóa các tính chất cơ học và vật liệu, và cuối cùng là xuất dữ liệu phục vụ cho gia công Toàn bộ quy trình này được gọi là thiết kế thuận (Forward Engineering).

Cùng với sự phát triển của công nghệ, kỹ thuật ngược (Reverse Engineering) đã ra đời, khác biệt hoàn toàn so với thiết kế kỹ thuật truyền thống Thiết kế ngược là quy trình tái tạo mẫu vật lý thông qua việc số hóa bề mặt bằng thiết bị quét 3D, từ đó xây dựng mô hình thiết kế dựa trên dữ liệu số hóa Phương pháp này mang lại ưu điểm vượt trội trong việc thiết kế nhanh chóng và chính xác các mẫu có độ phức tạp hình học cao hoặc các mẫu bề mặt tự do, không theo quy luật tạo hình nhất định.

Thiết kế sản phẩm y sinh bằng kỹ thuật ngược giúp rút ngắn thời gian phát triển và nhanh chóng chế tạo các sản phẩm thay thế, từ đó cứu sống nhiều tính mạng Dữ liệu số hóa của các bộ phận cơ thể người sẽ được tiêu chuẩn hóa theo từng module, thúc đẩy quá trình sản xuất sản phẩm y sinh đáp ứng nhu cầu của con người.

CÁC BƯỚC THIẾT KẾ SẢN PHẨM Y SINH BẰNG KĨ THUẬT NGƯỢC 35 1 Giai đoạn quét hình

Quy trình thiết kế sản phẩm y sinh bằng kĩ thuật ngược được chia thành 3 giai đoạn: quét, xử lí dữ liệu quét, ứng dụng.

Hình 3.1 Các giai đoạn thiết kế sản phẩm y sinh bằng kĩ thuật ngược[17]

3.2.1 Giai đoạn quét hình Đây là giai đoạn thu thập dữ liệu ảnh của vật thể Dùng máy quét hình để quét hình dáng của vật thể Có 2 dạng quét hình: quét dạng tiếp xúc và quét dạng không tiếp xúc.

Quét dạng tiếp xúc bằng máy đo tọa độ CMM cho phép xác định hình dạng chi tiết của vật thể thông qua đầu dò tiếp xúc với bề mặt cần đo Mỗi vị trí đo tạo ra một điểm với tọa độ (x, y, z), và khi kết hợp lại, các điểm này hình thành một đám mây điểm Từ dữ liệu này, phần mềm sẽ tạo ra lưới đa giác để tái tạo bề mặt vật thể Tuy nhiên, máy CMM có nhược điểm là tiếp xúc với vật thể có thể gây hư hỏng hoặc trầy xước, không phù hợp cho các vật thể linh hoạt và có tốc độ quét chậm hơn so với các phương pháp khác, đặc biệt là không thích hợp cho việc quét con người thật.

Xử lí đám mây điểm Xử lí các lát cắt 2D Ứng dụng

Xây dựng mô hình CAD để kiểm tra

Xuất ra dịnh dạng STL để tạo mẫu nhanh Xây dựng mặt

Hình 3.2 Máy đo tọa độ CMM của hãng Mitutoyo

3.2.1.2 Quét dạng không tiếp xúc

Quét dạng không tiếp xúc là một phương pháp tiên tiến kết hợp nhiều lĩnh vực khoa học như quang học, cơ khí, điện tử, và khoa học máy tính Với ưu điểm không xâm lấn, nhanh chóng, chính xác và hiệu quả cao, phương pháp này không gây đau đớn và được áp dụng rộng rãi trong nhiều ngành Các phương pháp quét dạng không tiếp xúc bao gồm quét bề mặt bằng laser, quét bằng ánh sáng có cấu trúc, chụp ảnh lập thể và chụp cắt lớp Trong đó, quét bề mặt bằng laser (Laser Surface Scanning) là một trong những kỹ thuật nổi bật.

Nguồn ánh sáng laser được sử dụng như một nguồn sáng điểm hoặc nguồn sáng đường để chiếu lên bề mặt vật thể, tạo ra các điểm ảnh Cảm biến hình ảnh sẽ đo khoảng cách từ từng điểm ảnh đến cảm biến, và dữ liệu từ các điểm ảnh này sẽ được thu thập và xử lý qua chương trình máy tính Quá trình này giúp chuyển đổi dữ liệu thành hình dạng 3D của vật thể Hình dạng toàn bộ vật thể được ghi lại thông qua việc dịch chuyển hoặc quay vật thể trong nguồn ánh sáng, hoặc quét nguồn ánh sáng qua toàn bộ bề mặt vật thể.

Hình 3.3 Nguyên lí quét bằng laser[17] b Quét bằng ánh sáng có cấu trúc (Structured Light)

Máy chiếu phát ra các điểm ảnh dưới dạng sọc ánh sáng lên bề mặt cần quét Do bề mặt không đồng đều, sọc ánh sáng sẽ bị bóp méo Camera bên cạnh máy chiếu thu nhận hình ảnh sọc ánh sáng bị biến dạng, từ đó tính toán độ sâu của từng điểm ảnh để tái tạo hình dạng chính xác của bề mặt Hệ thống này được gọi là Hệ thống quét bằng ánh sáng có cấu trúc (SLS).

Máy quét SLS có ưu điểm vượt trội so với máy quét laser vì không chiếu tia laser trực tiếp lên cơ thể, đảm bảo an toàn cho sức khỏe bệnh nhân Hơn nữa, tốc độ quét của SLS nhanh hơn do khả năng quét nhiều điểm hoặc toàn bộ vùng cùng một lúc Phương pháp SLS rất phù hợp để thu thập dữ liệu các bộ phận bên ngoài cơ thể như mũi và vành tai.

Hệ thống chụp lập thể sử dụng hai camera đặt cách xa nhau để cùng quan sát một cảnh Bằng cách phân tích sự khác biệt giữa hình ảnh từ mỗi camera, phần mềm có thể xác định khoảng cách và chiều sâu tại từng điểm ảnh, từ đó tái tạo hình dạng 3 chiều của vật thể.

Hình 3.5 Nguyên lí chụp ảnh nổi d Chụp cắt lớp (Tomography)

Chụp cắt lớp cung cấp hình ảnh và thông tin chi tiết về mặt cắt ngang của đối tượng, bao gồm hình dạng, cấu trúc và chức năng Phương pháp này cho phép thu thập thông tin nội bộ thông qua việc khôi phục dữ liệu mô hình hình học Một trong những lợi thế lớn nhất của chụp cắt lớp là khả năng quét các khoang bên trong của đối tượng Phương pháp chụp cắt lớp bao gồm siêu âm 3D.

Siêu âm 3D là một kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh không xâm lấn, sử dụng sóng siêu âm để khảo sát các vùng cần thiết trên cơ thể Đầu dò di chuyển và phát sóng siêu âm, sau đó nhận tín hiệu phản hồi để tạo ra hình ảnh hiển thị trên màn hình thông qua các màu sắc và dạng sóng khác nhau Kỹ thuật này nhanh chóng, an toàn, không gây đau đớn và không sử dụng tia bức xạ, đồng thời có chi phí thấp và thiết bị đơn giản Siêu âm 3D không chỉ cung cấp hình ảnh cắt ngang của các nội quan mà còn cho phép quan sát các hoạt động vận động của tế bào, hỗ trợ hiệu quả trong chẩn đoán lâm sàng.

Hình 3.6 Nguyên lí siêu âm 3D

 Chụp cắt lớp điện toán (CT)

CT là một kỹ thuật sử dụng tia X để quét các khu vực của cơ thể theo từng lát cắt ngang, kết hợp với xử lý bằng máy vi tính nhằm tạo ra hình ảnh 2 chiều hoặc 3 chiều của bộ phận cần chụp.

CT là phương pháp chụp ảnh sử dụng tính chất hấp thụ tia X của vật chất Trong quá trình chụp CT, bệnh nhân sẽ nằm trên một bàn có động cơ và được di chuyển vào trong buồng máy, nơi nguồn phát tia X sẽ quay quanh cơ thể và phát ra tia.

Máy X và bộ dò tia X hoạt động đồng bộ, cho phép thu nhận hình ảnh từ nguồn phát tia X Các tổ chức trong cơ thể có mật độ khác nhau, dẫn đến mức độ hấp thụ tia X không đồng nhất; ví dụ, mô xương với mật độ cao hấp thụ tia X nhiều hơn, khiến máy dò nhận tín hiệu yếu hơn, trong khi mô mỡ hấp thụ ít tia X hơn, tạo ra tín hiệu mạnh hơn Dựa vào tín hiệu phản xạ thu được, máy sẽ tái tạo hình ảnh lát cắt của cơ thể.

 Ưu điểm lớn nhất của CT là cho phép khảo sát các cấu trúc xương, từ đó giúp chẩn đoán các bệnh về xương khớp.

 Hình ảnh CT cho chất lượng rất tốt.

 Nhanh, không gây đau đớn.

- Nhược điểm: Cơ thể sẽ bị nhiễm lượng phóng xạ cao hơn so với phương pháp chụp X-quang thông thường.

 Chụp cộng hưởng từ (MRI)

Chụp cộng hưởng từ (MRI) là phương pháp sử dụng từ trường mạnh để đồng hóa chuyển động của nguyên tử hydro trong phân tử nước trong cơ thể Một ăng ten thu phát sóng radio tần số thấp được sử dụng để gửi và nhận tín hiệu từ các nguyên tử hydro, sau đó tín hiệu này được truyền về trung tâm máy tính để xử lý và tạo ra hình ảnh cấu trúc cơ thể MRI hoạt động dựa trên nguyên lý cộng hưởng từ, do đó các bộ phận chứa nhiều ion H (nhiều nước) sẽ cho hình ảnh rõ nét hơn.

Hình 3.8 Nguyên lí chụp MRI

 Nhanh, không gây đau đớn.

 MRI cho hình ảnh tốt ở cả các lớp cắt ngang và dọc trong cơ thể, so với

CT chỉ ưu thế cho hình ảnh cắt ngang cơ thể.

 Xác định chính xác vị trí cơ quan bệnh (ví dụ khối u), nên phục vụ trong phẫu thuật khối u.

MRI hoạt động dựa trên nguyên lý cộng hưởng từ, do đó các bộ phận có ít nước như xương sẽ cho hình ảnh kém chất lượng Trong khi đó, CT scan lại cung cấp hình ảnh rõ nét hơn cho những khu vực này.

Tóm lại, MRI mang lại hình ảnh chất lượng cao hơn và có giá trị hơn, mặc dù chi phí thực hiện cao hơn Tuy nhiên, đối với các cơ quan như xương, CT lại cho hình ảnh tốt hơn so với MRI.

PHẦN MỀM KĨ THUẬT NGƯỢC

Xây dựng lại mô hình là một yếu tố quan trọng trong kỹ thuật ngược, yêu cầu lựa chọn phần mềm phù hợp để tối ưu hóa kết quả Trên thị trường quốc tế, phần mềm kỹ thuật ngược được phân loại thành ba loại chính.

3.3.1 Phần mềm kĩ thuật ngược chuyên dụng Đây là phần mềm chuyên dùng trong xây dựng bề mặt dựa vào đám mây điểm, hoặc lưới đa giác thu được Các phần mềm ngược chuyên dụng: Rapidform, Geomagic của 3DSystem, GEOPARK-WIN của Mitutoyo, CopyCAD của DELCAM, Nhìn chung, phần mềm kĩ thuật ngược chuyên dụng có những chức năng sau: phân tích và xử lí đám mây điểm, tự động phủ lưới qua tất cả các điểm dữ liệu, xây dựng bề mặt nhanh chóng và chính xác, mô hình hóa 3D các đường cong, mặt cong NURBS thông qua sự tương tác của người sử dụng với giao diện của phần mềm.

3.3.2 Phần mềm CAD thông dụng tích hợp module khôi phục lại bề mặt

Các phần mềm CAD như NX với module PointCloud, Pro/Engineer với Pro/SCAN, và Solidworks với ScanTo3D, đều nổi bật với khả năng mô hình hóa solid mạnh mẽ Tuy nhiên, chúng gặp khó khăn trong việc xử lý dữ liệu điểm và dữ liệu lát cắt 2D do kích thước cơ sở dữ liệu lớn, đồng thời hạn chế khả năng tái tạo bề mặt.

Phần mềm MIMICS của hãng Belgium Materialise là một công cụ xử lý ảnh 3D tích hợp cao, chuyên dùng để xử lý dữ liệu lát cắt 2D từ siêu âm 3D, CT và MRI với định dạng DICOM, nhằm tạo ra các mô hình CAD chất lượng.

4 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN