“Thiết kế chế tạo kênh vi lưu tích hợp cảm biến dựa trên công nghệ tạo mẫu nhanh”

Mục tiêu của đề tài Luận văn này trình bày thiết kế, chế tạo và thử nghiệm một hệ thống kênh vi lưu tích hợp cảm biến vi hạt trong dòng chảy chất lỏng dựa trên công nghệ tạo mẫu nhanh i

i

/

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGÔ THỊ HÀ THU

THIẾT KẾ CHẾ TẠO KÊNH VI LƯU TÍCH HỢP CẢM BIẾN DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH

Ngành : Công nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông

Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử

Mã ngành : 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

Giáo viên hướng dẫn: TS Bùi Thanh Tùng

HÀ NỘI - 2019

ii

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGÔ THỊ HÀ THU

THIẾT KẾ CHẾ TẠO KÊNH VI LƯU TÍCH HỢP CẢM BIẾN DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH

Ngành : Công nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông

Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử

Mã ngành : 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn

TS Bùi Thanh Tùng

HÀ NỘI - 2019

1

Để hoàn thành đề tài này, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện cũng như trong quá trình thực hiện đề tài ở trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN Tôi xin cảm

ơn các thầy cô giáo đã có những ý kiến đóng góp và động viên kịp thời giúp tôi hoàn thành luận văn này Trong quá trình thực hiện luận văn không thể tránh khỏi những sai sót, tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô và tất cả các bạn đọc để tôi có thể tiếp tục phát triển và hoàn thiện đề tài này

Hà Nội, tháng 08, 2019

Ngô Thị Hà Thu

LỜI CẢM ƠN

3

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

Mục lục 3

Danh mục hình vẽ 5

Danh mục bảng biểu 8

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 9

MỞ ĐẦU 10

Tổng quan 10

Mục tiêu của đề tài 11

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VI LƯU 12

1.1 Giới thiệu về công nghệ vi lưu 12

1.2 Vật liệu và phương pháp chế tạo thiết bị vi lưu 13

1.3 Phương pháp chế tạo in 3D trong lĩnh vực vi lỏng 17

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ VI LƯU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO IN 3D 20 2.1 Giới thiệu công nghệ in 3D 20

2.2 Các phương pháp in 3D 20

2.3 Phương pháp in 3D bằng phương pháp Inkjet printing 26

2.4 Chế tạo thiết bị vi lưu dựa theo phương pháp 3D Inkjet 27

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO 28

3.1 Thiết kế và mô phỏng mô hình đề xuất 28

3.2 Thực nghiệm chế tạo 34

3.2.1 Lưu đồ thực nghiệm chế tạo kênh dẫn: 34

3.2.2 Chế tạo khuôn mẫu của kênh dẫn: 35

3.2.3 Chế tạo kênh dẫn vi lưu: 37

3.2.3 Cảm biến điện dung tích hợp trên bảng mạch in (PCB) 38

3.2.4 Chế tạo chip vi lưu hoàn chỉnh 39

3.3 Thiết lập hệ thống đo 41

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43

4.1 Kết quả chế tạo kênh dẫn vi lưu 43

4.1.1 Kết quả chế tạo khuôn bằng công nghệ in 3D 43

Mục lục

4

4.1.2 Kết quả chế tạo kênh dẫn PDMS 45

4.1.3 Kết quả chế tạo chip vi lưu hoàn thiện 47

4.2 Kết quả đo thực nghiệm và thảo luận 49

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

5

Hình 1.1 : Hình ảnh một số hệ vi kênh có cấu trúc khác nhau 12

Hình 1.2 Các loại vật liệu chế tạo chip vi lưu ( Microfluidic) [3] 13

Hình 1.3 : Biểu đồ thể hiện số lượng ấn phẩm liên quan tới in 3D từ 2005 tới 2015 [1] 18

Hình 1.4 : Ứng dụng công nghệ in 3D trong y học [16] 19

Hình 2.1: Lĩnh vực ứng dụng sản phẩm công nghệ in 3D trên toàn thế giới [17] 20

Hình 2.2 : Mô tả phương pháp in 3D SLS [16] 21

Hình 2.3 : Một số sản phẩm in từ công nghệ in SLS [16] 21

Hình 2.4 : Mô tả phương pháp in 3D SLA [16] 22

Hình 2.5 : Một số sản phẩm in từ công nghệ in SLA [16] 22

Hình 2.6 : Mô tả phương pháp in 3D FDM [16] 23

Hình 2.7 : Một số sản phẩm in từ công nghệ in 3D FDM [16] 23

Hình 2.8 : Mô tả phương pháp in 3D Inkjet [17] 24

Hình 2.9 : Một số sản phẩm in từ công nghệ in 3D Inkjet [17] 24

Hình 2.10 In 3D inkjet dựa trên nền Photopolymer [1] 27

Hình 2.11 : Hình ảnh của máy in Object 500 Connex3 của Stratasys 27

Hình 3.1 : Mô hình thiết kế đề xuất 28

Hình 3.2 : Minh họa dạng điện dung bằng điện cực coplanar [11] 29

Hình 3.3 : Sơ đồ cảm biến vi sai với ba điện cực 30

Hình 3.4 :Mặt cắt dọc và mặt cắt ngang của sensor 31

Hình 3.5 : Phân bố điện thế trong kênh lỏng khi bọt khí chưa tới khu vực cảm biến 32

Hình 3.6 : Phân bố điện thế trong kênh lỏng khi bọt khí đi vào chính giữa 2 cặp điện 32

Danh mục hình vẽ

6

Hình 3.7 : Độ chênh lệch điện dung so với vị trí 33

Hình 3.8 : Lưu đồ quá trình thực nghiệm chế tạo kênh dẫn vi lưu 34

Hình 3.9 : Bản thiết kế Solidworks cho đơn kênh chiều cao 100 m 36

Hình 3.10 : Bản thiết kế Solidworks cho kênh dẫn kiểu chữ Y chiều cao 600 m 36

Hình 3.11: Quy trình chế tạo kênh dẫn PDMS 37

Hình 3.12 : Hệ thiết bị sử dụng trong quy trình chế tạo kênh dẫn PDMS 38

Hình 3.13 : Quy trình chế tạo cảm biến điện dung 39

Hình 3.14 : Quy trình bonding kênh dẫn lên đế cảm biến 40

Hình 3.15 : Thiết bị quay phủ lớp PDMS 41

Hình 3.16 : Sơ đồ hệ thống đo đạc 42

Hình 3.17 : Hệ thống đo đạc thực nghiệm thực tế 42

Hình 4.1 : Một số sản phẩm khuôn mẫu chế tạo 43

Hình 4.2 : Vật liệu support và khuôn sau quá trình chế tạo 44

Hình 4.3 : Hình ảnh mẫu trước và sau công đoạn hút chân không Sau khi hút chân không, bọt khí giảm 45

Hình 4.4 : Kênh dẫn PDMS kiểu đơn kênh kích thước 100m 45

Hình 4.5 : Kênh dẫn PDMS kiểu chữ Y (Y – Junction channel) kích thước 600m 45

Hình 4.6 : Mặt ngang của kênh dẫn sau quá trình chế tạo 46

Hình 4.7 : Kích thước chiều rộng kênh dưới kính hiển vi 46

Hình 4.8 : Đế PCB tích hợp cặp điện cực Coplanar kích thước 200m 47

Hình 4.9 : Đế tích hợp trước và sau khi quay phủ PDMS 48

Hình 4.10 : Chip vi lỏng hoàn thiện sau quá trình chế tạo 48

Hình 4.11 : Tín hiệu đầu ra thay đổi khi bọt khí đi qua vùng hiệu dụng của cảm ứng 50

Hình 4.12 : Hiện tượng bọt khí di chuyển trong kênh dẫn đi qua vùng cảm biến 50

7 Hình 4.13 : Tín hiệu đầu ra của sensor khi tốc độ bơm 80.0l/min 51Hình 4.14 : Tín hiệu đầu ra của sensor khi tốc độ bơm 163.0l/min 51

8

Bảng 1 : Bảng tổng hợp ưu, nhược điểm các loại vật liệu chế tạo kênh dẫn vi lưu 16

Bảng 2 : Bảng tổng kết ưu, nhược điểm của các phương pháp in 3D phổ biến 26

Bảng 3 : Bảng tổng hợp kích thước điện cực và kênh dẫn được chế tạo 31

Bảng 4 : Độ dày lớp PDMS phụ thuộc vào tốc độ quay [14] 40

Bảng 5: Tính chất vật lý của một số vật liệu nhựa quang hóa (Photopolymer) 44

Bảng 6 : Kích thước chiều rộng kênh sau quá trình chế tạo 46

Bảng 7 :Bảng tỷ lệ phần trăm vi kênh dẫn thông 49

Danh mục bảng biểu

Inkjet 3D printing Selective laser sintering

Stereolithography apparatus Fused deposition modelling

Hệ thống vi cơ điện tử Vật liệu PDMS

Phương pháp in 3D inkjet Phương pháp thiêu kết laser chọn lọc

In li-tô lập thể/ In nhựa lỏng

In bồi đắp/ Đùn nhựa

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

10

Tổng quan

Microfluidic (kênh dẫn vi lưu) là một lĩnh vực mới thú vị của khoa học, kỹ thuật cho phép phân tích kiểm soát trên quy mô rất nhỏ và thiết bị nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí, hiệu quả hơn hệ thống thông thường khác Chúng có khả năng đáp ứng nhu cầu của các phản ứng tốc độ nhanh bằng cách giảm kích thước các kênh dòng chảy và các không gian phản ứng, qua đó giảm không gian khuếch tán Công nghệ vi lưu ứng dụng trong rất nhiều ngành: Kỹ thuật, Vật lý, Hóa học, Công nghệ vi chế tạo và Công nghệ sinh học Công nghệ này đang từng bước trở thành công nghệ mũi nhọn cho phép chế tạo những vi hệ thống sử dụng những vi thể tích chất lỏng, (còn được biết đến với cái tên “phòng thí nghiệm siêu nhỏ tích hợp trên một con chip” lab-on-chip)

Hệ thống này có thể được sử dụng cho một loạt ứng dụng như dẫn thuốc, in ấn và đặc biệt là ứng dụng trong lĩnh vực sinh học phân tử như phân tích enzyme, phân tích DNA và proteomic

Những nghiên cứu trong công nghệ sinh học thường đòi hỏi một số lượng khá lớn những trang thiết bị và phòng thí nghiệm, cụ thể là những phân tích DNA, những nghiên cứu về các loại thuốc, những trang thiết bị thu thập thông tin về người bệnh như film chụp X-quang, cắt lớp… Nhu cầu sử dụng thường xuyên và liên tục đòi hỏi những thiết bị này phải nhỏ gọn, tiện dụng và có thể mang ra khỏi các phòng thí nghiệm Chính vì lẽ đó mà xu hướng “càng nhỏ càng tốt” đang dần biến đổi “thế giới lỏng” theo một cuộc cách mạng tương tự như cuộc cách mạng về công nghiệp điện tử khi transistor ra đời

Trong thời kỳ khủng hoảng về nhiên liệu của thế giới thì việc nghiên cứu và phát triển ngành công nghệ vi lưu đang trở nên có ý nghĩa hơn Các hệ thống vi lưu thường

có kích thước rất nhỏ, việc chế tạo ra chúng sử dụng ít nhiên liệu hơn, rẻ hơn và rất dễ dàng chế tạo hàng loạt Thêm nữa là các kênh dẫn trong thiết bị vi lưu chỉ có thể tích vài nanolit, các mẫu thử cũng trở nên rất nhỏ, lượng thuốc thử sử dụng cũng rất ít, do

MỞ ĐẦU

Kỹ thuật in 3D là một sự thay thế đầy hứa hẹn cho kỹ thuật in truyền thống, không chỉ việc cho phép lặp lại thiết kế nhanh chóng mà còn trong việc giảm chi phí liên quan đến cơ sở hạ tầng, lắp đặt thiết bị, bảo trì và tiết kiệm không gian In ba chiều (3D) hay tạo mẫu nhanh là phương pháp sản xuất từng lớp được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như in nội tạng, hàng không vũ trụ và thiết kế công nghiệp [1] Trong luận văn này chúng tôi tập trung vào những đánh giá ngắn gọn về các phương pháp in 3D khác nhau để đề xuất phương in khuôn mẫu (mold) phù hợp, cuối cùng là tiến hành thử nghiệm, chế tạo và đo đạc hệ thống cấu trúc vi lỏng đã nghiên cứu

Chính vì sự ứng dụng rộng rãi của cảm biến và lợi ích to lớn của công nghệ in 3D đã nêu trên, chúng tôi chọn đề tài “Thiết kế chế tạo kênh vi lưu tích hợp cảm biến dựa trên công nghệ tạo mẫu nhanh” làm đề tài luận văn thạc sĩ

Mục tiêu của đề tài

Luận văn này trình bày thiết kế, chế tạo và thử nghiệm một hệ thống kênh vi lưu tích hợp cảm biến vi hạt trong dòng chảy chất lỏng dựa trên công nghệ tạo mẫu nhanh

in 3D từ đó tiến hành thực nghiệm chế tạo và thiết lập hệ thống đo đạc cho cảm biến

đã đề xuất Ngoài ra còn một số mục tiêu sau đây:

- Nghiên cứu, thiết kế (mô phỏng) cảm biến vi lưu dựa trên công nghệ vi cơ lỏng

- Xây dựng quy trình chế tạo thử nghiệm dựa trên công nghệ tạo mẫu nhanh in 3D và đo thử hệ thống kênh dẫn vi lỏng tích hợp cảm biến

12

1.1 Giới thiệu về công nghệ vi lưu

Thuật ngữ microfluidic (vi lưu) được định nghĩa là việc xử lý và phân tích chất lỏng ở thang đo micromet Microfluidic liên quan đến tất cả các công nghệ có khả năng điều khiển các dòng chất lưu có thể tích micro hoặc nano lit thông qua các kênh

có kích thước micromet trên hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) [1]

Hình 1.1 : Hình ảnh một số hệ vi kênh có cấu trúc khác nhau

Hệ thống kênh vi lưu bao gồm ba thành phần chính là lối vào (Inlets), lối ra (Outlets) và buồng phản ứng

Hệ thống này có thể được sử dụng cho một loạt ứng dụng như dẫn thuốc, in ấn

và đặc biệt là ứng dụng trong lĩnh vực sinh học phân tử như phân tích enzyme, phân tích DNA và proteomic Chất lỏng thường được sử dụng trong các thiết bị vi lưu bao gồm toàn bộ mẫu máu, tế bào vi khuẩn, protein, DNA, hóa chất dùng cho các phản ứng sinh hóa.v v [1]

Các hệ thống vi lưu gồm rất nhiều loại khác nhau tương ứng với nhiều ứng dụng khác nhau như: những ứng dụng trong ngành công nghiệp in phun, trong pin nhiên liệu lỏng, nghiên cứu hóa sinh, tổng hợp hóa chất, tách chiết DNA ra khỏi tế bào, phân tích di truyền, phân tích PCR (Polymerase Chain Reaction – Phản ứng chuỗi trùng hợp), bào chế thuốc v.v.[6]

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ

VI LƯU

13

Việc điều khiển dòng chảy của chất lỏng ở những kích thước siêu nhỏ phụ thuộc nhiều yếu tố khác nhau như: Sức căng bề mặt của chất lỏng, sự mất mát năng lượng, sức cản chất lỏng, lưu lượng dòng chảy, v.v.[6]

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thiết bị vi lưu, nhiều loại vật liệu khác nhau

đã được nghiên cứu và sử dụng cho mục đích chế tạo hệ vi lưu, trong đó có các vật liệu được sử dụng phổ biến như silicon, thủy tinh, và các vật liệu Polymers

1.2 Vật liệu và phương pháp chế tạo thiết bị vi lưu

Về vật liệu và chức năng, mỗi loại vật liệu đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, trong khi thủy tinh và silicon cũng có những ứng dụng quan trọng thì vật liệu polyme lại là vật liệu được lựa chọn phổ biến ở trong lĩnh vực này Bên cạnh đó vật liệu tổng hợp mới có các tính năng thú vị vẫn được tạo ra để phù hợp hơn với sản xuất hàng loạt với khả năng thích ứng cao hơn và giá cả thấp hơn [3]

Hình 1.2 Các loại vật liệu chế tạo chip vi lưu ( Microfluidic) [3]

Silicon là vật liệu đầu tiên được sử dụng cho thiết bị vi lỏng Silic được lựa chọn

do khả năng chống lại các dung môi hữu cơ, dễ lắng đọng kim loại, độ dẫn nhiệt cao

và khả năng di động diện di ổn định Tuy nhiên, vật liệu này có độ cứng cao cho nên không dễ dàng chế tạo các thành phần như van và bơm Hóa chất nguy hiểm được sử dụng trong quá trình chế tạo cũng yêu cầu cơ sở bảo vệ Silicon là một vật liệu mờ đục do đó không thể nhìn xuyên qua được, vì vậy việc phát hiện huỳnh quang hoặc

14

hình ảnh chất lỏng sẽ khá khó thực hiện Tất cả những nhược điểm này làm cho silicon trở thành một vật liệu không hấp để sử dụng xây dựng chip vi lỏng [3]

Glass – Thủy tinh là vật liệu được chọn sau silicon để chế tạo thiết bị vi lỏng

Thủy tinh tương thích với các mẫu sinh học, nó cũng là vật liệu không thấm nước, độ hấp phụ thấp, tính dẫn nhiệt cao, tính di động điện di ổn định trên bề mặt, vi mạch làm bằng thủy tinh cung cấp hiệu suất tốt hơn so với các vật liệu khác Tuy nhiên bởi vì không khí có thể đi qua các tấm thủy tinh thông qua kênh và buồng phản ứng cho nên không thể nuôi cấy tế bào dài hạn Thêm vào đó do độ cứng và chi phí chế tạo cao, nhiều hạn chế đối với ứng dụng thủy tinh trong vi lỏng ( cơ sở bảo vệ, môi trường siêu sạch để liên kết, nhiệt độ và áp suất cao cần thiết trong quá trình chế tạo, v v) cho nên thủy tinh hay silicon cũng dần bị thay thế bởi các vật liệu giá rẻ, dễ dàng chế tạo và tương thích cho các ứng dụng sinh học rộng lớn hơn như polymers [3]

Polymers – Thiết bị vi lưu dựa trên polymer đã được giới thiệu vài năm sau thiết

bị silicon/glass Sự đa dạng của các loại polymer mang lại sự linh hoạt cao trong việc lựa chọn vật liệu phù hợp với các đặc tính cụ thể Polymer dễ tiếp cận và không tốn kém so với vật liệu vô cơ Theo tính chất vật lý, polymer có thể được phân loại thành chất đàn hồi (elastomers), nhựa nhiệt dẻo (thermoplastic), nhựa nhiệt rắn (thermosets) Một số vật liệu polymer đang được sử dụng phổ biến như PDMS, Poly-methyl-methacrylate (PMMA), Poly-ethylene glycol diacrylate (PEGDA) [5]

Paper – giấy là một vật liệu linh hoạt gần đây đã trở thành một chất nền vi lỏng

đầy hứa hẹn bởi vì nhiều lý do, vật liệu này chi phí thấp, có thể biến đổi hóa học dễ dàng bằng cách thay đổi thành phần, là nguồn nguyên liệu sẵn có, có thể dễ dàng xử

lý bằng cách đốt hoặc tự thoái hóa Mặc dù là một vật liệu đầy hứa hẹn nhưng giấy chỉ

có thể được sử dụng trong một vài ứng dụng hạn chế do tính chất cơ học yếu, công nghệ hạn chế Ứng dụng chủ yếu của thiết bị vi lưu vật liệu giấy là phân tích sinh hóa, chẩn đoán y khoa, pháp y Tuy nhiên, hầu hết các thiết bị phân tích vi lỏng giấy dựa vào phát hiện so màu bởi vì giấy thông thường là nền trắng, nó cung cấp độ tương phản cho các phương pháp phát hiện dựa trên màu sắc [3]

15

Silicon + Chống lại dung môi hữu cơ

+ Dễ lắng đọng kim loại + Độ dẫn nhiệt cao

+ Độ cứng cao nên không dễ dàng chế tạo

+ Silicon là vật liệu mờ đục nên khó nhìn xuyên qua dẫn đến khó khăn khi phát hiện huỳnh quang hay hình ảnh

Glass + Tương thích với các mẫu sinh

học + Không thấm nước + Độ hấp phụ thấp + Tính dẫn nhiệt cao + Cung cấp hiệu suất tốt hơn các vật liệu khác

+ Độ cứng cao, chi phí chế tạo cao + Cần sơ sở bảo vệ và môi trường siêu sạch để liên kết

Polymers + Tính đa dạng cao mang lại sự

linh hoạt + Dễ tiếp cận, ít tốn kém hơn so với vật liệu vô cơ

+ Dễ dàng chế tạo + Liên kết mạnh mẽ với thủy tinh + Thích hợp với các cấu trúc nhiều lớp

+ Độ hấp phụ cao với protein trên thành kênh

+ Bọt khí sản sinh trong quá trình sản xuất

+ Độ dẫn nhiệt kém

+ Tính chất cơ học yếu, công nghệ hạn chế

Bảng 1 : Bảng tổng hợp ưu, nhược điểm các loại vật liệu chế tạo kênh dẫn vi lưu

Từ bảng tổng hợp trên cho ta cái nhìn tổng quan và ngắn gọn về các loại vật liệu chế tạo kênh dẫn vi lưu Mỗi vật liệu đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, tuy nhiên,

do tính đa dạng, dễ tiếp cận, dễ được chế tạo của Polymer nên trong đề tài này chúng tôi chọn vật liệu Polymer làm vật liệu chế tạo kênh dẫn Vật liệu Polymer phổ biến nhất trong các ứng dụng y sinh là PDMS do tính tương thích sinh học cao

Trong thập kỷ qua, PDMS gần như trở thành vật liệu mặc định để thiết kế các thiết bị vi lỏng bởi vì sự dễ dàng được đúc trên khuôn vi mô và sự liên kết mạnh với thủy tinh Bản chất đàn hồi của vật liệu được khai thác để tích hợp van và bơm trên chip mặt khác đơn giản hóa việc sản xuất các thiết bị nhiều lớp vì các lớp mềm dễ dàng kết hợp với nhau Bản chất kỵ nước của PDMS có thể xem là một yếu tố quan trọng đối với một số ứng dụng sinh học Chính vì những lý do này mà PDMS đã trở thành đối tượng vật liệu được tiến hành để chế tạo chip vi lưu ở trong nghiên cứu này [3]

Việc lựa chọn chính xác vật liệu sử dụng trong quy trình chế tạo rất quan trọng Tùy từng vật liệu mà chúng ta có thể đưa ra phương pháp chế tạo phù hợp, tiêu tốn ít chi phí Ví dụ :

- Vật liệu Silicon/ Glass : Phương pháp khắc ướt ( Wet etching) hoặc phương pháp khắc khô (Dry etching), phương pháp quang khắc

17

- Vật liệu Polymers (Polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate, polystyrene (PS), Polydimethylsiloxane (PDMS)…) : Phương pháp khuôn đúc (Molding),

Hiện nay cũng có nhiều kỹ thuật khác nhau để chế tạo các thiết bị vi lỏng như gia công vi mô (micromachining), dập nổi (embossing) , đúc phun xây dựng tại chỗ (In situ construction injection moulding), cắt laser được sử dụng để nhân rộng và sản xuất quy mô lớn Tuy nhiên một số kỹ thuật đòi hỏi nhiều không gian để chứa thiết bị,

sử dụng nhiều lao động ( quy trình gồm nhiều bước để tạo ra sản phẩm cuối cùng), mất nhiều thời gian để tạo điều kiện thay đổi trong thiết kế và hạn chế các loại vật liệu sinh học [1]

Phương pháp chế tạo thiết bị vi lỏng PDMS là khuôn đúc, chủ yếu dựa trên việc đúc PDMS bằng khuôn Khuôn được sử dụng để đúc PDMS thường được chế tạo bằng phương pháp quang khắc tiêu chuẩn (photolithography), điều này đòi hỏi các thiết bị trong phòng sạch và tốn nhiều công sức trong trường hợp các thiết bị vi lỏng 3D tinh vi Đáng chú ý là khi một khuôn được thiết kế với nhiều độ cao kênh microfluidic thì việc chế tạo trở lên khó khăn hơn, đòi hỏi nhiều bước như chuẩn bị photo-masks, spin-coating quang học, bake, tiếp xúc với tia UV,v.v.[6] Các bước dài này lặp lại tùy thuộc vào số lượng độ cao kênh Quá trình này tốn thời gian, tốn nhiều công sức và chi phí Hơn nữa, mỗi bước đòi hỏi thiết bị chuyên dụng và phải được thực hiện hoàn thành trong phòng sạch [6]

Để khắc phục các vấn đề cố hữu trong chế tạo khuôn của phương pháp quang khắc mềm, phương pháp sản xuất khuôn vi lỏng sử dụng công nghệ in 3D ra đời

1.3 Phương pháp chế tạo in 3D trong lĩnh vực vi lỏng

Gần đây, những tiến bộ trong in 3D về tốc độ và độ phân giải đã giúp đơn giản hóa quá trình chế tạo khuôn cho thiết bị vi lỏng thành một bước duy nhất Các ấn phẩm nghiên cứu về vi lỏng sử dụng công nghệ in 3D đã tăng lên đáng kể [1]

18

Hình 1.3 : Biểu đồ thể hiện số lượng ấn phẩm liên quan tới in 3D từ 2005 tới 2015 [1]

Một số ưu điểm đáng chú ý của công nghệ in 3D so với các phương pháp thông thường khác đó là toàn bộ quá trình được thực hiện chỉ bằng một máy và hoàn toàn tự động, độ phân giải cao, giàn giáo có độ xốp , sử dụng được nhiều loại vật liệu khác nhau và không yêu cầu môi trường phòng sạch nghiêm ngặt Một loạt các vật liệu sinh học như tế bào sống hoặc tế bào gốc có thẻ trực tiếp in bằng máy in 3D In 3D sinh học có thể được sử dụng để in các mô và các cơ quan để giúp nghiên cứu thuốc và thuốc Tuy nhiên, những đổi mới đang nổi lên kéo dài từ quá trình tái tạo tế bào của các tế bào hoặc ma trận ngoại bào được đưa vào lớp gel 3D theo từng lớp để tạo ra mô hoặc cơ quan mong muốn Sự bùng nổ gần đây về tính phổ biến của in 3D là một minh chứng cho tiềm năng hứa hẹn của công nghệ này và những lợi ích tiềm tàng của

nó trong nghiên cứu và y học tái sinh Ngoài ra, in 3D sinh học đã bắt đầu kết hợp việc in ấn của giàn giáo Những giàn giáo này có thể được sử dụng để tái tạo khớp và dây chằng [10]

19

Hình 1.4 : Ứng dụng công nghệ in 3D trong y học [16]

Những ưu điểm nổi trội cùng ứng dụng mạnh mẽ của công nghệ in 3D được nêu

ở trên chính là lý do chúng tôi lựa chọn phương pháp in 3D trong luận văn này để thay thế cho phương pháp quang khắc truyền thống

20

2.1 Giới thiệu công nghệ in 3D

Công nghệ in 3D là một chuỗi các công đoạn khác nhau được kết hợp để tạo ra các lớp vật liệu được đắp chồng lên nhau và được định dạng dưới sự kiểm soát của máy tính để tạo ra vật thể ba chiều [17]

Công nghệ in 3D được ứng dụng bắt đầu từ những năm 1980 trong phát triển sản phẩm, dữ liệu trực quan, tạo mẫu nhanh và sản xuất chuyên ngành Đến nay công nghệ này đã được sử dụng trong tạo mẫu trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Hình 2.1: Lĩnh vực ứng dụng sản phẩm công nghệ in 3D trên toàn thế giới [17] Điểm hấp dẫn của công nghệ in 3D là khả năng chế tạo và hiện thực hóa nhanh chóng một mô hình theo 3 chiều

Có nhiều công nghệ in 3D hiện đang có sẵn trên thị trường hoặc ở giai đoạn phát triển ban đầu Mỗi kỹ thuật sản xuất này đòi hỏi phải có một loại vật liệu in 3D cụ thể:

từ sợi filament nhựa (PLA, ABS ) đến nhựa cảm quang cho vật liệu dạng bột (kim loại, nhựa vv) Các công nghệ in 3D này có nhiều ưu điểm khác nhau và có thể được

độ dẻo, mô hình lớn và có phần rỗng phía dưới đáy Nhược điểm là chi phí đầu tư cho thiết bị cao bởi vì phải sử dụng laser công suất lớn để hóa rắn vật liệu, lượng vật liệu tiêu tốn lớn [10]

Hình 2.2 : Mô tả phương pháp in 3D SLS [16]

Hình 2.3 : Một số sản phẩm in từ công nghệ in SLS [16]

Công nghệ SLA(stereo-lithography apparatus) là công nghệ sử dụng chùm tia laser/UV hoặc một nguồn năng lượng mạnh tương đương để làm đông cứng các lớp

22

vật liệu nhạy sáng nằm trong một thùng chứa của máy in Công nghệ này sử dụng nguồn bơm tia cực tím để làm cứng photopolymer resin lỏng Ưu điểm của công nghệ này là có thể tạo ra các mô hình có độ chính xác cao Nhược điểm là vật liệu in đắt đỏ, sản phẩm in 3D bị giảm độ bền khi để lâu dưới ánh sáng mặt trời [9]

Hình 2.4 : Mô tả phương pháp in 3D SLA [16]

Hình 2.5 : Một số sản phẩm in từ công nghệ in SLA [16]

Công nghệ in FDM(fused deposition modelling) – đùn nhựa là công nghệ tạo ra các mẫu in bằng cách phun từng lớp vật liệu bị nung chảy theo chiều từ dưới lên Ưu điểm của công nghệ này là chi phí thấp do hết hạn các bằng sáng chế chính của FDM

và tất cả các công nghệ chi tiết đều có nguồn mở, dễ sử dụng, khả năng chịu lực tốt, tốc độ tạo hình 3D nhanh Nhược điểm là độ chính xác không cao, khả năng chịu lực không đồng nhất giữa các chiều trong trục tọa độ [9]

24

của công nghệ này là có khả năng in được nhiều vật liệu và màu sắc lên cùng 1 sản phẩm Chất lượng sản phẩm tuyệt vời với bề mặt nhẵn và độ chính xác cao Độ dày mỗi lớp in đạt 16 micron, độ chính xác đạt 0.1mm, nó có thể tạo ra các thành siêu mỏng với hình dạng phức tạp[9]

Hình 2.8 : Mô tả phương pháp in 3D Inkjet [17]

Hình 2.9 : Một số sản phẩm in từ công nghệ in 3D Inkjet [17]

Tổng kết ưu nhược điểm của các phương pháp in 3D phổ biến

Cho chất lượng độ mịn bề mặt cao hơn FDM vì khó phân biệt các lớp in bằng mắt thường

Tiếu tốn nhiều vật liệu và thiết bị đắt tiền

Độ mịn bề mặt kém hơn phương pháp SLA và Inkjet

Nếu cần tạo các

mô hình có phần rỗng bên trong thì nên chọn SLS

Vật liệu in đắt đỏ Sản phẩm in bị giảm độ bền khi

để lâu dưới ánh sáng mặt trời

SLA có nhiều nét tương đồng với Inkjet

Được sử dụng trong nhiều nhà máy sản xuất giày dép công đoạn in khuôn giày và tạo mẫu đế giày nhanh của Nike, Adidas

Tốc độ tạo hình 3D nhanh

Ít dùng trong lắp ghép vì độ chính xác không cao

Khả năng chịu lực không đồng nhất (Chiều trục X-Y cứng hơn chiều trục Z)

Độ mịn bề mặt kém hơn các phương pháp khác

Nếu cần độ cứng cao, FDM là lựa chọn phù hợp

Chất lượng sản phẩm tương đương công nghệ SLA

Máy in 3D Inkjet

có giá thành rất đắt

Vật liệu support

để đỡ mô hình khá yếu

Khi sản phẩm cần

độ bền cao thì nên lựa chọn Inkjet thay vì SLA

Bảng 2 : Bảng tổng kết ưu, nhược điểm của các phương pháp in 3D phổ biến Vừa qua, ĐHQGHN đã đầu tư xây dựng phòng thí nghiệm chế tạo 3D dựa trên một số trang thiết bị liên quan hiện đại với Máy in 3D Connex3 Objet500 của Stratasys sử dụng công nghệ in 3D inkjet Chính vì hệ thiết bị được trang bị sẵn cho nên trong khuôn khổ của luận văn này khuôn mẫu của kênh vi lưu được chế tạo bằng công nghệ in 3D Inkjet

2.3 Phương pháp in 3D bằng phương pháp Inkjet printing

Như đã nêu ở trên công nghệ in 3D Inkjet là công nghệ mà sản phẩm được tạo ra nhờ quá trình phun ra từng tia nhựa quang hóa ở dạng lỏng sau đó đóng rắn nhờ đèn

UV hình thành lên từng lớp vật liệu theo cấu trúc xác định trên một khay tạo dựng

In phun 3D có thể chia thành hai loại : nền bột và nền photopolymer Trong phương pháp dựa trên nền bột, các hạt bột rắn được liên kết với dung dịch keo polymeric được phân phối bởi một đầu in phun Quá trình bắt đầu với sự lắng đọng của một lớp bột trải đều trên khay bằng một con lăn Đầu máy in đa kênh phun những giọt keo dính lên lớp bột đã trải ở trên tại khu vực mục tiêu Sau khi lớp đầu tiên được hoàn thành, nền của sản phẩm được trải xuống thì lớp bột và keo thứ hai được trải xuống Quá trình này được lặp đi lặp lại cho đến khi sản phẩm 3D được hình thành Khác với quá trình in dựa trên nền bột, máy in phun dựa trên Photopolymer sử dụng một loạt các đầu in phun để nhỏ những giọt vật liệu chính và vật liệu hỗ trợ để tạo thành vật liệu theo kiểu lớp Vật liệu chính thường là một Photopolymer gốc Acrylic

và monomer, oligomer Bộ khởi tạo ảnh để xử lý mỗi lớp bằng nguồn UV [1]