Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc và đánh giá mức độ điền đầy cho khung in 3d hỗ trợ trong công nghệ mô

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc đánh giá mức độ điền đầy cho khung in 3D hỗ trợ công nghệ mô NGUYỄN XUÂN QUÝ Quy.NX211293M@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật khí Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Kiên Trung Trường: Cơ khí HÀ NỘI, 5/2023 Chữ ký GVHD CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Xuân Quý Đề tài luận văn: Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc đánh giá mức độ điền đầy cho khung in 3D hỗ trợ công nghệ mơ Chun ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số SV: 20211293M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 19/04/2023 với nội dung sau: - Chỉnh sửa lỗi trình bày nhảy trang, dịng - Dịch thích nội dung tiếng anh hình ảnh - Bổ sung đánh số cơng thức, phương trình - Bổ sung giải thích kết thực nghiệm lưu ý cho nghiên cứu Ngày Giáo viên hướng dẫn tháng năm Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc đánh giá mức độ điền đầy cho khung in 3D hỗ trợ công nghệ mô Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên Lời cảm ơn Trong trình nghiên cứu, nhờ có giúp đỡ thầy Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung, trường Cơ khí, nhóm chun mơn Cơng nghệ Chế tạo máy nói riêng, tơi hồn thành đề tài theo kế hoạch đặt Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn - TS Nguyễn Kiên Trung hướng dẫn, bảo cung cấp cho nhiều kiến thức, tài liệu quý báu thời gian nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn giúp đỡ, hỗ trợ tận tình TS Phùng Xuân Lan thành viên IMS Lab Trong luận, hẳn tránh khỏi hạn chế thiếu sót Tơi mong muốn nhận nhiều đóng góp quý báu đến từ quý thầy cô, ban cố vấn để đề tài hồn thiện Chân thành cảm ơn … Tơi xin chân thành cảm ơn Quỹ đổi sáng tạo Vingroup (VINIF) tài trợ cho dự án VINIF.2020.DA13 có kinh phí để thực nghiên cứu khn khổ luận văn … Tóm tắt nội dung luận văn Công nghệ mô biết đến lĩnh vực nghiên cứu liên ngành cho phép tạo mô kỹ thuật xương, da, sụn v.v để thay phận bị chức hay phá hủy người Bản chất công nghệ mô chế tạo khung hỗ trợ cấy ghép tế bào dưỡng chất lên khung (đồng thời tách biệt với q trình in) sau ni cấy mơi trường sinh học để phát triển thành mơ Khung hỗ trợ sinh học thành phần quan trọng mô kỹ thuật Nó ngơi nhà để tế bào sinh sơi phát triển nên ngồi khả tương thích sinh học vật liệu tạo khung khả điền đầy dung mơi khung có ý nghĩa quan trọng ảnh hưởng tới trao đổi chất hình thành mơ kỹ thuật Đề tài tập trung nghiên cứu cấu trúc khung sinh học đánh giá khả điền đầy dung mơi tương ứng với đặc điểm cấu trúc khác khung sở cho việc in khung in sinh học tương ứng với nhiều loại mô khác Nó có ý nghĩa nghiên cứu chế tạo mô kỹ thuật Việt Nam MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Công nghệ mô sinh học 1.2 Khung hỗ trợ công nghệ mô sinh học 1.2.1 Vai trò khung hỗ trợ 1.2.2 Đặc tính hình học khung hỗ trợ 1.3 Tính thẩm thấu khung hỗ trợ 1.4 Một số kết cấu khung hỗ trợ đặc tính 1.5 Kết luận chương CHƯƠNG XÂY DỰNG CÁC MÔ HÌNH KHUNG VÀ XÁC ĐỊNH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐẶC TÍNH ĐIỀN ĐẦY CỦA KHUNG 10 2.1 Thiết kế khung in 10 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới đặc tính điền đầy khung 13 2.3 2.2.1 Độ xốp (Porosity) 13 2.2.2 Tính liên thơng (Interconnectivity) 17 2.2.3 Góc tiếp xúc (Contact angle) 18 2.2.4 Độ thẩm thấu (Permeability) 20 Phương pháp đo mức độ điền đầy/thẩm thấu 23 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ ĐIỀN ĐẦY CỦA KHUNG HỖ TRỢ 25 3.1 3.2 Chế tạo khung hỗ trợ 25 3.1.1 Thiết kế đường in 25 3.1.2 Vật liệu PCL 26 3.1.3 Khung hỗ trợ 3D 27 Thực nghiệm đánh giá tính điền đầy khung 28 3.3 Kết thực nghiệm 30 3.3.1 Độ xốp 30 3.3.2 Góc tiếp xúc 31 3.3.3 Mức độ điền đầy 32 Kết luận chương 42 KẾT LUẬN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Một số ứng dụng công nghệ mô [1] Hình 1.2 Thành phần kỹ thuật mô Hình 1.3 Tính chất khung sinh học Hình 1.4 Khung hỗ trợ công nghệ mô [4] Hình 1.5 Thơng số khung hỗ trợ [4] (a) mỏng, (b) bọt biển, (c) ống, (d) sợi, (e) lưới, (f) hạt Hình 1.6 Mức độ thẩm thấp khung Hình 1.7 Một số kết cấu khung hỗ trợ in 3D [5] Hình 1.8 Một số kết cấu khung hỗ trợ phục vụ phân tích CFD [6] Hình 1.9 Độ thẩm thấu số kết cấu [6] Hình 2.1 Cấu trúc khung kín 10 Hình 2.2 Cấu trúc khung vuông 11 Hình 2.3 Cấu trúc khung vng dịch chỉnh 11 Hình 2.4 Các cấu trúc khung 12 Hình 2.5 Cấu trúc tham số khung vuông 14 Hình 2.6 Cấu trúc tham số khung vng dịch chỉnh 15 Hình 2.7 Cấu trúc tham số khung sóng 16 Hình 2.8 Cấu trúc tham số khung sóng dịch chỉnh 16 Hình 2.9 Tầm quan trọng liên kết thiết kế Khung đỡ, (a) độ liên thông thấp, (b) độ liên thông cao 17 Hình 2.10 Cơ chế bề mặt trạng thái kỵ nước ưa nước 18 Hình 2.11 Sơ đồ đo góc tiếp xúc giọt nước (màu xanh) khung đỡ xốp (màu đen) đặt đế (màu xám) 19 Hình 2.12 Kết đo góc tiếp xúc số khung vật liệu khác 20 Hình 2.13 Sơ đồ thiết bị sử dụng thử nghiệm tính thấm 21 Hình 2.14 Sơ đồ thí nghiệm tính thấm 22 Hình 2.15 Hệ thống đo mức độ điền đầy sử dụng camera tốc đô cao 23 Hình 3.1 Đường in khung trịn 25 Hình 3.2 Đường in khung chữ nhật 26 Hình 3.3 Kết in khung hỗ trợ dạng tròn 27 Hình 3.4 Các cấu trúc khung in 3D 28 Hình 3.5 Một mơ hình khung thực nghiệm 29 Hình 3.6 Mơ hình thí nghiệm đo góc tiếp xúc mức độ điền đầy 29 Hình 3.7 Quá trình dung dịch điền vào khung 30 Hình 3.8 Góc tiếp xúc khung cấu trúc khác 32 Hình 3.9 Quá trình điền đầy vào khung vng 33 Hình 3.10 Mức độ điền đầy cùa khung vuông 33 Hình 3.11 Quá trình điền đầy khung vng dịch chỉnh 34 Hình 3.12 Mức độ điền đầy khung vuông dịch chỉnh 34 Hình 3.13 Quá trình điền đầy khung vuông đan xen 35 Hình 3.14 Mức độ điền đầy khung vng đan xen 35 Hình 3.15 Quá trình điền đầy khung sóng 36 Hình 3.16 Mức độ điền đầy khung sóng 36 Hình 3.17 Q trình điền đầy khung sóng dịch chỉnh 37 Hình 3.18 Mức độ điền đầy khung sóng dịch chỉnh 37 Hình 3.19 Chiều sâu thấm khung 38 Hình 3.20 Bán kính thấm khung 38 Hình 3.21 Xu hướng dịng chảy khung vng sóng 39 Hình 3.22 Xu hướng dịng chảy khung vng dịch chỉnh 40 Hình 3.23 Xu hướng dịng chảy khung vng đan xen 40 Hình 3.24 Xu hướng dịng chảy khung sóng dịch chỉnh 41 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Tham số thiết kế khung 14 Bảng 2.2 Tham số khung kiểm nghiệm 17 Bảng 2.3 So sánh kết kiểm nghiệm 17 Bảng 3.1 Độ xốp khung vuông 30 Bảng 3.2 Độ xốp khung vuông dịch chỉnh 31 Bảng 3.3 Độ xốp khung vuông đan xen 31 Bảng 3.2 Độ xốp khung vuông dịch chỉnh Mẫu 𝑚𝑚𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑣𝑣𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝜌𝜌𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑃𝑃𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 (g) (𝑚𝑚𝑚𝑚3 ) (𝑔𝑔/𝑚𝑚𝑚𝑚3 ) 0.72 1,476 0.000487685 57.41 0.71 1,471 0.000482706 57.84 0.72 1,473 0.000488865 57.30 (%) 𝑃𝑃𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 (%) 𝛥𝛥 (%) 3.34 60.75 2.91 3.45 Bảng 3.3 Độ xốp khung vuông đan xen Mẫu 𝑚𝑚𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑣𝑣𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝜌𝜌𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑃𝑃𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 (g) (𝑚𝑚𝑚𝑚3 ) (𝑔𝑔/𝑚𝑚𝑚𝑚3 ) 0.72 1,541 0.000467197 59.20 0.74 1,555 0.000475739 58.45 0.72 1,522 0.000472975 58.69 (%) 𝑃𝑃𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 (%) 𝛥𝛥 (%) - - - Độ xốp khung qua thực nghiệm tương đối xác so với thiết kế, sai số nằm ngưỡng cho phép thiết kế lý tưởng Thực nghiệm cho thấy lớp in có giao thoa với khiến độ xốp có hao hụt 3÷5% Khung vng đan xen có độ xốp lớn (trung bình 58.78%), khung vng dịch chỉnh (trung bình 57.52%) thấp khung vng (trung bình 57.08%) 3.3.2 Góc tiếp xúc Góc tiếp xúc số yếu tố ảnh hưởng đến khả điền đầy khung Bằng thực nghiệm, góc tiếp xúc khung in cấu trúc khác xác định thể bảng sau: 31 Hình 3.8 Góc tiếp xúc khung cấu trúc khác 3.3.3 Mức độ điền đầy Để mơ hình thành phản triển hồn thiện tế bào chất dinh dưỡng phải vận chuyển đến toàn vị trí khung hỗ trợ Các cấu trúc khác ảnh hưởng đến mức độ điền đầy khung hỗ trợ Bằng thí nghiệm nhỏ lượng 40𝜇𝜇𝜇𝜇 dung dịch lên bề mặt khung cấu trúc khác quan sát trình điền đầy dung dịch vào khung, ta đánh giá ảnh hưởng cấu trúc tới mức độ điền đầy 32 a) Khung vuông 0s 3s 5s 10s 30s 60s Hình 3.9 Quá trình điền đầy vào khung vuông 3.5 2.5 1.5 1 0.5 Bán kính thấm (mm) Chiều sâu thấm (mm) Vuông 10 30 60 Thời gian (s) Bán kính thấm Chiều sâu thấm Hình 3.10 Mức độ điền đầy cùa khung vng 33 b) Khung vuông dịch chỉnh 0s 3s 5s 10s 30s 60s Hình 3.11 Quá trình điền đầy khung vuông dịch chỉnh Vuông dịch chỉnh 5.8 4.5 Chiều sâu thấm (mm) 5.4 3.5 5.2 2.5 1.5 4.8 4.6 0.5 Bán kính thấm (mm) 5.6 10 30 60 4.4 Thời gian (s) Bán kính thấm Chiều sâu thấm Hình 3.12 Mức độ điền đầy khung vuông dịch chỉnh 34 c) Khung vuông đan xen 0s 3s 5s 10s 30s 60s Hình 3.13 Quá trình điền đầy khung vuông đan xen Vuông đan xen 2.5 1.5 1 0.5 Bán kính thấm (mm) Chiều sâu thấm (mm) 3.5 10 30 60 Thời gian (s) Bán kính thấm Chiều sâu thấm Hình 3.14 Mức độ điền đầy khung vng đan xen 35 d) Khung sóng 0s 3s 5s 10s 30s 60s Hình 3.15 Q trình điền đầy khung sóng 4.5 4.4 4.3 4.2 4.1 3.9 Bán kính thấm (mm) Chiều sâu thấm (mm) Sóng 10 30 60 3.8 Thời gian (s) Bán kính thấm Chiều sâu thấm Hình 3.16 Mức độ điền đầy khung sóng 36 e) Khung sóng dịch chỉnh 0s 3s 5s 10s 30s 60s Hình 3.17 Quá trình điền đầy khung sóng dịch chỉnh Sóng dịch chỉnh 4.5 3.5 2.5 1.5 1 Bán kính thấm (mm) Chiều sâu thấm (mm) 0.5 10 30 60 Thời gian (s) Bán kính thấm Chiều sâu thấm Hình 3.18 Mức độ điền đầy khung sóng dịch chỉnh 37 f) Đánh giá ảnh hưởng cấu trúc khung đến mức độ điền đầy Khung cấu trúc vng đan xen sóng có thời gian điền đầy tương đương nhanh cấu trúc nghiên cứu Khung cấu trúc vuông dịch chỉnh có thời gian điền đầy lâu Kết phù hợp với lý thuyết đề cập phần đầu Hình 3.19 Chiều sâu thấm khung Hình 3.20 Bán kính thấm khung 38 Cấu trúc khung ảnh hưởng đến mức độ điền đầy hình dáng dung dịch khung Dung dịch khung vng sóng có xu hướng dịch chuyển thẳng từ xuống, giúp dung dịch sâu vào bên Chúng có xu hướng kết cấu lỗ trống nằm thẳng chồng lên giúp cho dịng chảy xun suốt từ xuống, khơng bị cản trở Hình 3.21 Xu hướng dịng chảy khung vng sóng Khung vng dịch chỉnh có dịng dung dịch dạng tam giác ngược có kết cấu lỗ trống đan xen Cũng yếu tố làm dịng chảy dung dịch chậm lại phân bố 39 Hình 3.22 Xu hướng dịng chảy khung vng dịch chỉnh Khung vng đan xen có lớp in chéo khiến dung dịch khó thâm nhập sau vào bên mà có xu hướng lan rộng diện tích bề mặt Hình 3.23 Xu hướng dịng chảy khung vng đan xen Khung sóng dịch chỉnh có thay dịch chỉnh lỗ trống đường in dạng sóng nên lỗ trống liên thông tốt với Điều làm cho dung dịch thẩm thấu sâu vào bên khung hỗ trợ 40 Hình 3.24 Xu hướng dịng chảy khung sóng dịch chỉnh Căn vào kết nghiên cứu lựa chọn cấu trúc khung phù hợp với phận cần nuôi cấy mô Chẳng hạn mô da mỏng rộng nên sử dụng cấu trúc vng đan xen có bán kính thấm lớn, chiều sâu thấm nhỏ; mơ cần tế bào dưỡng chất thẩm thấu sâu vào mơ xương nên sử dụng khung cấu trúc 41 Kết luận chương Trên sở nội dung nghiên cứu thực nghiệm khảo sát mẫu in với cấu trúc in khác nhau, ta đưa số kết luận sau: - Bốn loại kết cấu khung với dạng dịch chỉnh khơng dịch chỉnh, thẳng trịn/lượn sóng thiết kế để đánh giá khả điền đầy loại kết cấu - Từ kết thực nghiệm thấy độ thẩm thấu khung không dịch chỉnh cao so với khung dịch chỉnh Khơng có khác rõ rệt khung vng khung lượn sóng - Độ thẩm thấu khung phụ thuộc vào vật liệu góc tiếp xúc - Cấu trúc khung ảnh hưởng tới hình dáng dung dịch khung 42 KẾT LUẬN Luận văn hoàn thành mục tiêu nghiên cứu đưa sở khoa học, thiết kế đánh giá cấu trúc khung hỗ trợ công nghệ mô sinh học yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính điền đầy khung Luận văn đạt kết cụ thể sau: • Luận văn khảo sát đặc điểm khả hoạt động khung nuôi cấy mô sinh học cấu trúc khung Việt Nam giới • Thiết kế, chế tạo mẫu khung in 3D cấu trúc khác • Khảo sát, đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính điền đầy khung • Kết thực nghiệm cho thấy xác yếu tố ảnh hưởng đển mức độ điền đầy khung hỗ trợ Các thông số ảnh hưởng tới mức độ điền đầy độ xốp, góc tiếp xúc độ thẩm thấu phân tích đánh giá • Kết luận văn sở tham khảo hữu ích cho nghiên cứu cấu trúc khung hỗ trợ công nghệ mô sinh học Phạm vi nghiên cứu luận văn giới hạn phịng thí nghiệm, nhằm đưa nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn, cần nghiên cứu chuyên sâu lĩnh vực y sinh nói chung cụ thể cơng nghệ mơ sinh học 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO Mhanna, R., & Hasan, A (2017) Introduction to tissue engineering Tissue engineering for artificial organs: regenerative medicine, smart diagnostics and personalized medicine, 1, 1-34 Chan, B P., & Leong, K W (2008) Scaffolding in tissue engineering: general approaches and tissue-specific considerations European spine journal, 17, 467-479 Shimojo, A A M., Rodrigues, I C P., Perez, A G M., Souto, E M B., Gabriel, L P., & Webster, T (2020) Scaffolds for tissue engineering: A state-of-the-art review concerning types, properties, materials, processing, and characterization Racing for the surface: Antimicrobial and Interface tissue engineering, 647-676 Truscello, S., Kerckhofs, G., Van Bael, S., Pyka, G., Schrooten, J., & Van Oosterwyck, H (2012) Prediction of permeability of regular scaffolds for skeletal tissue engineering: a combined computational and experimental study Acta biomaterialia, 8(4), 1648-1658 Sala, R., Regondi, S., & Pugliese, R (2022) Design Data and Finite Element Analysis of 3D Printed Poly (ε-Caprolactone)-Based Lattice Scaffolds: Influence of Type of Unit Cell, Porosity, and Nozzle Diameter on the Mechanical Behavior Eng, 3(1), 9-23 Deng, F., Liu, L., Li, Z., & Liu, J (2021) 3D printed Ti6Al4V bone scaffolds with different pore structure effects on bone ingrowth Journal of Biological Engineering, 15, 1-13 Beaudoin, A J., Mihalko, W M., & Krause, W R (1991) Finite element modelling of polymethylmethacrylate flow through cancellous bone Journal of biomechanics, 24(2), 127-136 Salam, A., Khan, M Q., Hassan, T., Hassan, N., Nazir, A., Hussain, T., & Kim, I S (2020) In-vitro assessment of appropriate hydrophilic scaffolds by co-electrospinning of poly (1, cyclohexane isosorbide terephthalate)/polyvinyl alcohol Scientific Reports, 10(1), 19751 Aldemir Dikici, B., & Claeyssens, F (2020) Basic principles of emulsion templating and its use as an emerging manufacturing method of tissue engineering scaffolds Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 8, 875 10 Paxton, N C., & Woodruff, M A (2022) Measuring contact angles on hydrophilic porous scaffolds by implementing a novel raised platform approach: A technical note Polymers for Advanced Technologies, 33(10), 3759-3765 44 Lv, Y., Liu, G., Wang, B., Tang, Y., Lin, Z., Liu, J., & Wang, L (2022) Pore strategy design of a novel NiTi-Nb biomedical porous scaffold based on a triply periodic minimal surface Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 10 12 Truscello, S., Kerckhofs, G., Van Bael, S., Pyka, G., Schrooten, J., & Van Oosterwyck, H (2012) Prediction of permeability of regular scaffolds for skeletal tissue engineering: a combined computational and experimental study Acta biomaterialia, 8(4), 1648-1658 11 45