Luận án Tiến sĩ Công nghệ kỹ thuật điện tử, truyền thông: Nghiên cứu, phát triển hệ thống vi bơm tích hợp chức năng trộn sử dụng cấu trúc vòi phun định hướng ứng dụng trong y sinh học

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:136

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án được hoàn thành với mục tiêu nhằm nghiên cứu, thiết kế, chế tạo được một hệ vi bơm có chức năng trộn và tích hợp cảm biến điện dung có khả năng xác định môi trường lưu chất, đo nồng độ thành phần dung dịch ở đầu ra của thiết bị và hướng tới khả năng tự động điều chỉnh tỷ lệ trộn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Công nghệ kỹ thuật điện tử, truyền thông: Nghiên cứu, phát triển hệ thống vi bơm tích hợp chức năng trộn sử dụng cấu trúc vòi phun định hướng ứng dụng trong y sinh học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ VĂN LUÂN NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG VI BƠM TÍCH HỢP CHỨC NĂNG TRỘN SỬ DỤNG CẤU TRÚC VÒI PHUN ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG Hà Nội - 2022
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ VĂN LUÂN NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG VI BƠM TÍCH HỢP CHỨC NĂNG TRỘN SỬ DỤNG CẤU TRÚC VÒI PHUN ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9510302.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ N0GÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS. Chử Đức Trình Hà Nội - 2022
MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................... i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................... iv BẢNG CHÚ GIẢI CÁC KÝ HIỆU ............................................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................ vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. vii MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................1 2. Những vấn đề còn tồn tại ........................................................................................5 3. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................5 4. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................................6 5. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................6 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.................................................................................7 7. Cấu trúc nội dung của luận án .................................................................................7 8. Các đóng góp chính của luận án .............................................................................8 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ......................................9 1.1. Tổng quan về vi bơm ...........................................................................................9 1.1.1. Vi bơm phi cơ học .............................................................................................9 1.1.2. Vi bơm cơ học..................................................................................................17 1.1.3. Phần tử vòi phun/khuếch tán và chiến lược không dùng van .........................27 1.1.4. Vi bơm không van sử dụng cấu trúc vòi phun/khuếch tán ..............................33 1.2. Bộ trộn vi lỏng ...................................................................................................36 1.2.1. Bộ trộn vi lỏng thụ động..................................................................................37 1.2.2. Bộ trộn vi lỏng chủ động .................................................................................38 1.3. Một số công nghệ chế tạo vi bơm .....................................................................42 CHƯƠNG 2. ĐỀ XUẤT VI BƠM TÍCH HỢP CHỨC NĂNG TRỘN SỬ DỤNG CẤU TRÚC VÒI PHUN ...........................................................................................46 2.1. Vi bơm kết hợp chức năng trộn sử dụng cấu trúc vòi phun ...............................46 2.1.1. Cấu trúc vi bơm kết hợp chức năng trộn ........................................................46 i
2.1.2. Nguyên lý hoạt động của vi bơm đề xuất ........................................................49 2.1.3. Cảm biến điện dung và điện cực .....................................................................51 2.2. Mô phỏng hoạt động của vi bơm đề xuất ...........................................................53 2.2.1. Thiết lập mô phỏng chức năng bơm ................................................................53 2.2.2. Thiết lập mô phỏng chức năng trộn ................................................................57 2.3. Kết quả mô phỏng ..............................................................................................60 2.3.1. Mô phỏng hoạt động của màng bơm PZT.......................................................60 2.3.2. Mô phỏng quá trình tương tác của chất lỏng trong vi bơm ............................63 2.3.3. Kết quả mô phỏng chức năng trộn ..................................................................65 2.3.4. Tối ưu hóa cấu trúc vòi phun/khuếch tán .......................................................68 2.3.5. Kết quả mô phỏng cảm biến điện dung ...........................................................71 CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO HỆ VI BƠM VÀ ĐIỀU KHIỂN .......................................73 3.1. Chế tạo vi bơm tích hợp bộ trộn ........................................................................73 3.1.1. Thiết kế thân vi bơm ........................................................................................73 3.1.2. Chế tạo thân vi bơm ........................................................................................76 3.1.3. Thông số màng PZT ........................................................................................77 3.1.4. Lắp ráp vi bơm tích hợp chức năng trộn ........................................................78 3.1.5. Mạch đo và xử lý dữ liệu .................................................................................79 3.2. Thiết lập hệ đo ....................................................................................................81 3.2.1. Thí nghiệm chức năng bơm .............................................................................81 3.2.2. Thí nghiệm chức năng trộn .............................................................................82 3.2.3. Thí nghiệm cảm biến điện dung ......................................................................84 CHƯƠNG 4. KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA VI BƠM .................86 4.1. Thử nghiệm chức năng bơm ..............................................................................86 4.1.1. Thử nghiệm hiệu suất bơm với chất lỏng là nước ...........................................86 4.1.2. Thử nghiệm hiệu suất bơm với các chất lỏng khác .........................................90 4.1.3. Thử nghiệm hiệu suất bơm với màng bơm có kích thước khác nhau ..............92 4.2 Thử nghiệm chức năng trộn ................................................................................95 4.2.1. Trộn với chất lỏng nhuộm màu .......................................................................95 ii
4.2.2. Trộn với chất lỏng không hoà tan ...................................................................99 4.2.3. Kết quả thử nghiệm cảm biến điện dung .......................................................100 4.3. Ứng dụng vi bơm cho thiết bị truyền dịch trong y tế .......................................104 4.3.1. Thông số và chức năng của thiết bị ..............................................................104 4.3.2. Sơ đồ khối mạch đo và điều khiển .................................................................104 4.3.3. Giao diện và kiểu dáng .................................................................................106 4.3.4. Thử nghiệm thiết bị truyền dịch ....................................................................107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................111 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ...............................................................................................................113 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................115 iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết Tiếng Anh Giải nghĩa tắt EDL Electrical Double Layer Lớp điện áp kép EHD Electrohydrodynamic Điện thủy động học FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn LoC Lab on a Chip Phòng thí nghiệm trên Chip MEMS Microelectromechanical Systems Hệ vi cơ điện tử MHD Magnetohydrodynamic Từ thủy động học NMP No-Moving Part Bộ phận không chuyển động PDMS Polydimethylsiloxane Chất Polydimethylsiloxane PMMA Polymethylmethacrylate Chất Polymethylmethacrylate POCT Point - Of - Care Testing Xét nghiệm tại chỗ PPy Polypyrrole Chất Polypyrrole PVDF Polyvinylidene Fluoride Chất Polyvinylidene Fluoride PZT Lead Zirconated Titanate Titanat Zirconat chì µTAS Micro Total Analysis System Vi hệ thống phân tích tổng hợp iv
BẢNG CHÚ GIẢI CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu, Ký hiệu, Ý nghĩa Ý nghĩa đơn vị đơn vị Áp suất cực đại của vi  Hằng số điện môi Pmax, Pas bơm K Hệ số tổn thất áp suất KB Hằng số Boltzmann T, Kelvin Nhiệt độ tuyệt đối ρ, kg/m3 Mật độ lưu chất Diện tích bề mặt điện 𝜖, Coulomb Điện tích A, m 2 cực Zi Số hóa trị của ion B, Pa Mô đun đàn hồi khối Hệ số khuêch tán của Nồng độ ion của chất i 𝑘∞,i, mol/m 3 𝜂 phần tử vòi trong hỗn hợp phun/khuếch tán Hiệu suất chỉnh lưu của E, V/ m Cường độ điện trường ß vi bơm Véc tơ thông lượng µ, Ns/m2 Độ nhớt động học 𝐽, mol/ m 2 s khuếch tán ζ, V Điện thế D, m 2 /s Hệ số khuếch tán Chiều dày lớp điện áp 𝜆 𝐷, m c, mol/ m 3 Nồng độ chất lỏng kép v
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Đánh giá các loại bộ trộn chủ động .........................................................40 Bảng 2.1. Tính chất vật lý của vật liệu dùng trong mô phỏng ..................................54 Bảng 2.2. Các thông số sử dụng trong mô phỏng chức năng trộn .................................... 59 Bảng 2.3. Kích thước vòi phun/khuếch tán trước và sau cải tiến .............................70 Bảng 2.4. So sánh hiệu suất của vi bơm trước và sau cải tiến .................................70 Bảng 3.1. Thông số cơ bản của vật liệu VeroClear RGD810 ...................................77 Bảng 3.2. Thông số màng PZT ..................................................................................77 Bảng 3.3. Tính chất vật lý của nước và dung dịch Glycerin .....................................82 Bảng 4.1. So sánh thông số một số vi bơm sử dụng màng bơm PZT .......................94 Bảng 4.2. Bảng sai số thể tích truyền ở các tốc độ truyền khác nhau ....................107 vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. Sơ đồ khối của một hệ thống phân phối thuốc .............................................................. 3 Hình 2. Hệ thống cảm biến sinh học vi lỏng có chức năng bơm và trộn .................................. 4 Hình 1.1. Mô hình nguyên lý làm việc của một vi bơm điện hóa dùng trong ứng dụng bơm thuốc .......................................................................................................................................... 10 Hình 1.2. Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm bong bóng ................................................ 12 Hình 1.3. Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm điện thẩm ................................................ 14 Hình 1.4. Cơ chế hoạt động của vi bơm từ thủy động học...................................................... 15 Hình 1.5. Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm EHD ......................................................... 17 Hình 1.6. Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm tĩnh điện. .................................................. 18 Hình 1.7. Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm áp điện ..................................................... 20 Hình 1.8. Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm nhiệt khí nén ............................................ 23 Hình 1.9. Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm điện từ ...................................................... 24 Hình 1.10. Mô hình vi bơm nhu động với 3 buồng nối tiếp ..................................................... 26 Hình 1.11. Mô hình vi bơm pít tông sử dụng van một chiều ................................................... 28 Hình 1.12. Thiết kế chung của phần tử vòi phun/khuếch tán .................................................. 29 Hình 1.13. Sự suy giảm áp suất trên phần tử vòi phun/khuếch tán tại các vùng khác nhau. . 31 Hình 1.14. Mô hình hoạt động của vi bơm không van ............................................................. 33 Hình 1.15. Vòi phun/khuếch tán có cấu trúc thông thường (a), cấu trúc hai vây (b) và cấu trúc có vật cản (c) ............................................................................................................................. 36 Hình 1.16. Các cấu trúc hình học cơ bản của bộ trộn vi lỏng ................................................ 37 Hình 1.17. Một số cấu trúc phức tạp của bộ trộn vi lỏng ........................................................ 38 Hình 1.18. Thiết kế của một số bộ trộn chủ động .................................................................... 39 Hình 2.1. Mô hình vi bơm sử dụng cấu trúc vòi phun/khuếch tán kiểu cũ .............................. 47 Hình 2.2. Cấu trúc vòi phun/khuếch tán kiểu mới ................................................................... 47 Hình 2.3. Mô hình vi bơm đề xuất với cấu trúc vòi phun/khuếch tán mới .............................. 48 Hình 2.4. Mô hình thiết kế 3D của vi bơm tích hợp bộ trộn .................................................... 49 Hình 2.5. Quá trình hút và xả của vi bơm ................................................................................ 50 Hình 2.6. Tụ điện song song .................................................................................................... 52 Hình 2.7. Điện cực cảm biến diện dung sử dụng trong vi bơm ............................................... 53 vii
Hình 2.8. Mô hình đối xứng của vi bơm dùng cho mô phỏng ................................................. 55 Hình 2.9. Thiết lập điều kiện biên cho mô phỏng chức năng trộn .......................................... 60 Hình 2.10. Sự biến dạng của màng PZT khi có điện áp đặt vào ............................................. 61 Hình 2.11. Biên độ biến dạng tại tâm của màng PZT với các điện áp khác nhau .................. 61 Hình 2.12. Đáp ứng của biến dạng so với điện áp đặt vào màng PZT ................................... 62 Hình 2.13. Hiệu ứng hút và xả quan sát tại cấu trúc vòi phun/khuếch tán ............................. 63 Hình 2.14. Tốc độ dòng chảy tức thời ở đầu vào và đầu ra với f = 100 Hz ........................... 64 Hình 2.15. Mô phỏng quá trình trộn ở tần số 100 Hz ............................................................. 66 Hình 2.16. Dòng chảy và nồng độ của chất lỏng ở tần số 100 Hz .......................................... 67 Hình 2.17. Nồng độ trung bình tại đầu ra ở các tần số khác nhau ......................................... 67 Hình 2.18. Mô hình mô phỏng tối ưu cấu trúc vòi phun/khuếch tán ....................................... 69 Hình 2.19. Thể tích chất lỏng bơm được trong ba chu kỳ với các góc mở khác nhau. .......... 69 Hình 2.20. Mặt cắt ngang và kích thước vòi phun/khuếch tán trước (a) và sau cải tiến (b) ..... 70 Hình 2.21. Mô phỏng cảm biến điện dung với dung dịch NaCl .............................................. 71 Hình 3.1. Thiết kế chi tiết thân vi bơm (a) ............................................................................... 74 Thiết kế chi tiết thân vi bơm (b) ................................................................................ 75 Hình 3.2. Hình ảnh thân vi bơm chế tạo bằng công nghệ in 3D với đường kính buồng bơm khác nhau: (a) 35mm và (b) 20mm .......................................................................................... 77 Hình 3.3. Hình vẽ biểu diễn quá trình lắp ghép các thành phần để tạo thành bộ vi bơm tích hợp chức năng trộn ................................................................................................................... 78 Hình 3.4. Hình ảnh thân vi bơm sau khi chế tạo và đóng gói ................................................. 79 Hình 3.5. Sơ đồ mạch dao động LC của điện cực cảm biến .................................................... 80 Hình 3.6. Mạch đo và xử lý dữ liệu .......................................................................................... 80 Hình 3.7. Sơ đồ thí nghiệm chức năng bơm ............................................................................. 81 Hình 3.8. Sơ đồ thí nghiệm chức năng trộn ............................................................................. 82 Hình 3.9. Phương pháp phân tích màu sắc để đánh giá hiệu suất trộn của vi bơm ............... 83 Hình 3.10. Sơ đồ thí nghiệm cảm biến điện dung .................................................................... 84 Hình 3.11. Hình ảnh thí nghiệm thực tế ................................................................................... 85 Hình 4.1. Thí nghiệm xác nhận hiệu ứng bơm ......................................................................... 87 viii
Hình 4.2. Thí nghiệm xác định mối quan hệ giữa tần số điều khiển và lưu lượng bơm ở điện áp 220V ..................................................................................................................................... 87 Hình 4.3. Thí nghiệm xác định mối quan hệ giữa tần số điều khiển và lưu lượng bơm ở điện áp 90V ....................................................................................................................................... 88 Hình 4.4. Thí nghiệm xác định mối quan hệ giữa tần số điều khiển và áp suất bơm ............. 89 Hình 4.5. Quan hệ giữa điện áp điều khiển và áp suất bơm tại tần số 100 Hz ...................... 90 Hình 4.6. Lưu lượng bơm ở điện áp 220 V và các tần số khác nhau ứng với các chất lỏng: nước, hỗn hợp glycerin-nước nồng độ khác nhau. .................................................................. 91 Hình 4.7. Ảnh hưởng của đường kính màng bơm PZT tới lưu lượng bơm ............................. 92 Hình 4.8. Ảnh hưởng của đường kính màng bơm PZT tới áp suất và lưu lượng của bơm ở tần số cộng hưởng ........................................................................................................................... 93 Hình 4.9. Hiệu ứng trộn tại kênh đầu ra khi không có điện áp điều khiển. ............................ 95 Hình 4.10. Hiệu ứng trộn tại kênh đầu ra khi có điện áp 220Vpp ở tần số 10Hz (a) và 100Hz (b)........................................................................................................................ 96 Hình 4.11. Hình ảnh phân tích màu và mức xám của ảnh chụp tại kênh ra của vi bơm ứng với tần số 10Hz (a) và 100Hz (b) ................................................................................................... 97 Hình 4.12. Các vị trí đánh giá hiệu suất trộn của vi bơm ....................................................... 97 Hình 4.13. Đánh giá khả năng trộn theo mã màu tại kênh đầu ra của vi bơm ....................... 99 Hình 4.14. Thí nghiệm bơm với chất lỏng không hòa tan .................................................... 100 Hình 4.15. Giá trị điện dung của điện cực đo được trong khoảng thời gian 4 phút với chất lỏng tại kênh đầu ra là nước. .......................................................................................................... 101 Hình 4.16. Giá trị điện dung đo được ứng với các chất lỏng bơm khác nhau ...................... 102 Hình 4.17. Giá trị điện dung thay đổi trong quá trình chuyển từ dung dịch NaCl 30% sang nước tinh khiết và ngược lại. ........................................................................................ 103 Hình 4.18. Sơ đồ khối mạch điều khiển vi bơm ............................................................. 105 Hình 4.19. Thiết bị truyền dịch sử dụng vi bơm kết hợp bộ trộn ................................... 106 Hình 4.20. Thử nghiệm đánh giá sai số thể tích truyền trong 30 phút ở các tốc độ khác nhau .............................................................................................................................. 108 ix
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài MEMS là viết tắt của hệ thống vi cơ điện tử (MicroElectroMechanical System). Đây là một thuật ngữ rộng, có liên quan đến thiết kế, phương pháp, cơ chế chế tạo vi mô cho việc hiện thực hóa các thành phần cấu thành các bộ phận cơ khí chuyển động ở quy mô siêu nhỏ (cỡ micromet). MEMS nghiên cứu chuyển đổi các hệ thống cơ học cồng kềnh, truyền thống thành các hệ thống cơ học thay thế thu nhỏ, có hiệu suất tốt hơn và có khả năng sản xuất hàng loạt cao, tương tự như những gì công nghệ mạch tích hợp và bán dẫn đã làm cho các hệ thống điện và điện tử. Trong những năm đầu của thế kỷ 21, công nghệ MEMS đã được áp dụng cho nhu cầu cấp thiết của ngành y sinh, qua đó, đẩy mạnh một lĩnh vực nghiên cứu mới có tên gọi là Microfluidics - Công nghệ vi lưu. Công nghệ vi lưu liên quan đến việc thiết kế và phát triển các thiết bị thu nhỏ mà có thể tích hợp cảm biến, bơm, trộn, thao tác, theo dõi và kiểm soát lưu lượng chất lỏng rất nhỏ. Sự phát triển của các hệ thống vi lưu đã nhanh chóng ứng dụng rộng sang nhiều lĩnh vực khác nhau. Các ứng dụng chính của hệ thống vi lưu là phân tích hóa học, cảm biến sinh học và hóa học, phân phối thuốc, phân tách phân tử, phân tích DNA, khuếch đại, xác định trình tự hoặc tổng hợp axit nucleic và theo dõi môi trường. Việc sử dụng MEMS cho mục đích sinh học (BioMEMS) đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu. Trước nhu cầu cấp thiết của y học là chế tạo các hệ thống phân phối thuốc vi mô, việc sử dụng công nghệ vi chế tạo (micromachining) để triển khai mục tiêu này là một xu hướng hiện đại hiện nay. Cụ thể, các thiết bị phân phối thuốc bằng kênh dẫn vi lưu dựa trên MEMS đang được nghiên cứu như: các thiết bị thẩm thấu qua da bằng vi kim, các thiết 1
bị sử dụng vi bơm, các thiết bị dùng bộ chứa vi mô và các thiết bị MEMS có thể phân hủy sinh học. Như chúng ta biết, các phương pháp phân phối thuốc thông thường là đưa thuốc vào cơ thể người qua đường uống, đường hít thở và đường tĩnh mạch. Với các phương pháp phân phối đó, thuốc sẽ phân tán đến nhiều bộ phận khác của cơ thể và có thể gây ra một số ảnh hưởng không mong muốn. Thêm vào đó, lượng thuốc đưa vào cơ thể có thể nhiều hơn hoặc ít hơn so với nhu cầu của mục đích điều trị. Nhìn chung, hầu hết các loại thuốc đều hiệu quả nếu được phân phối đúng theo một hàm lượng cụ thể, nằm giữa mức tối đa và tối thiểu mong muốn. Nếu quá mức tối đa, chúng sẽ gây ngộ độc và nếu dưới mức tối thiểu, chúng lại không có tác dụng điều trị. Với các phương pháp phân phối thuốc thông thường như qua đường uống bằng miệng, v.v..., thì hàm lượng thuốc ban đầu được đẩy mạnh, sau đó giảm nhanh xuống dưới mức điều trị. Hơn nữa, trong thực tế, để đạt được hiệu quả điều trị thì cần phải phối hợp nhiều loại thuốc với tỷ lệ chính xác. Vì vậy, nhu cầu chế tạo thiết bị phân phối thuốc có thể điều khiển được là nhu cầu cấp bách hiện nay. Thiết bị này phối trộn hàm lượng thuốc thích hợp nhờ bộ điều khiển có cơ chế tính toán chính xác và giải phóng vào thời điểm thích hợp bằng cơ chế vi truyền động như thiết bị vi bơm. Lợi ích của việc giải phóng thuốc có kiểm soát là cung cấp thuốc tại vị trí cụ thể, giảm tác dụng phụ và tăng hiệu quả điều trị. Một số trường hợp đặc biệt, việc phân phối thuốc lại là sự kết hợp, pha trộn của hai hoặc nhiều loại thuốc khác nhau với các tỷ lệ khác nhau tại mỗi thời điểm và vai trò của một bộ trộn trong trường hợp này là không thể thiếu. Như vậy, một hệ thống phân phối thuốc tích hợp có thể sẽ bao gồm hệ thống vi bơm, hệ thống trộn, hệ thống điều khiển chính xác như mô tả trong Hình 1. Hệ thống trộn làm nhiệm vụ trộn thuốc trong các kênh dẫn thông qua việc thay đổi 2
lưu lượng được điều khiển chính xác bởi hệ thống điều khiển. Sau đó, hệ thống vi bơm đẩy thuốc đến đầu ra. Ngoài ra, một hệ thống cảm biến được đặt tại đầu ra, với nhiệm vụ xác định hàm lượng thuốc và tác động trở lại bộ điều khiển để thay đổi tỉ lệ trộn hoặc lưu lượng bơm nếu các giá trị này chưa chính xác theo yêu cầu mong muốn. Hình 1. Sơ đồ khối của một hệ thống phân phối thuốc Ở một khía cạnh khác, vi bơm, bộ trộn… cũng là những thiết bị thiết yếu trong các hệ thống vận chuyển chất lỏng, chẳng hạn như Vi hệ thống phân tích tổng hợp (µTAS - Micro Total Analysis System), Hệ thống xét nghiệm tại chỗ (POCT - Point of Care Testing) hoặc Hệ thống phòng thí nghiệm trên chip (LoC - Lab on a Chip). Các thiết bị vi cơ này được sử dụng như một phần của hệ thống tích hợp xét nghiệm nhanh bằng một con chip bao gồm buồng chứa vi mô (microreservoirs), vi kênh (microchannel), vi bơm (micropump), bộ vi trộn (micromixer) và hệ thống vi cảm biến (microsensor) để vận chuyển chính xác các chất lỏng hóa học và sinh học ở mức vi mô. Hệ thống xét nghiệm nhanh tại giường bệnh dùng để tiến hành phân tích chẩn đoán tại chỗ nhằm cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe và cải thiện chất lượng cuộc sống tốt hơn. Trong các hệ thống chẩn đoán kể trên, vi bơm và bộ trộn là thành phần không thể thiếu (Hình 3
2) để đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác. Vì vậy, việc nghiên cứu hệ thống vi bơm, bộ trộn là bước quan trọng và cần thiết. Hình 2. Hệ thống cảm biến sinh học vi lỏng có chức năng bơm và trộn Nhận thấy vai trò to lớn và khả năng ứng dụng của vi bơm và bộ trộn trong lĩnh vực y sinh học, hiện nay, trên thế giới đã có nhiều nhóm nghiên cứu về các thiết bị này nhằm tạo ra các sản phẩm ứng dụng trong thực tiễn như phân tích hóa học, cảm biến sinh học, phân phối thuốc, phân tách phân tử. Một trong số những mục tiêu hướng đến của các nghiên cứu này là đưa ra được những giải pháp để có thể tạo ra sản phẩm có độ bền, độ tin cậy cao, kích thước nhỏ và dễ dàng trong việc chế tạo. Các nghiên cứu thường tập trung vào các giải pháp cho từng thiết bị cụ thể riêng biệt như vi bơm, bộ vi trộn, vi cảm biến hoặc cơ chế vi điều khiển… Trong khi đó, việc phát triển một thiết bị vi lỏng có khả năng tích hợp nhiều chức năng như trên vẫn chưa có nhiều đột phá. Với các lý do trên, việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu, phát triển hệ thống vi bơm tích hợp chức năng trộn sử dụng cấu trúc vòi phun định hướng ứng dụng trong y sinh học” sẽ giải quyết được nhu cầu thực tiễn trong việc phân phối thuốc và đáp ứng cho các hệ thống LoC. Luận án đề xuất hệ thống vi bơm không sử dụng van dựa trên cấu trúc vòi phun/khuếch tán (nozzle/diffuser) tích hợp đồng thời chức năng bơm và trộn. Việc thực hiện thành công luận án sẽ đem lại những 4
kết quả nghiên cứu mới và là cơ sở cho định hướng, phát triển các sản phẩm ứng dụng trong y sinh học. 2. Những vấn đề còn tồn tại Qua phân tích và tổng hợp các kết quả nghiên cứu đã công bố, NCS thấy được những vấn đề đang còn tồn tại mà nội dung nghiên cứu của luận án cần tập trung giải quyết, cụ thể như sau: - Vi bơm và bộ trộn thường là các mô đun riêng biệt, điều này dẫn đến kích thước của thiết bị cồng kềnh và phức tạp trong chế tạo, ghép nối. - Khi trộn hai hay nhiều thành phần chất lỏng, các hệ thống cần phải có số lượng bơm tương ứng với các kênh vào của bộ trộn, điều này sẽ làm tăng giá thành, kích thước của hệ thống. - Việc đo lường và tự động xác định nồng độ của hỗn hợp chất lỏng sau các bộ vi trộn bằng cảm biến vẫn là một bài toán mới, chưa có nhiều nghiên cứu. - Các giải pháp vi bơm thường có hiệu suất chưa cao, bộ trộn chưa có khả năng điều khiển tự động tỷ lệ thành phần đầu ra. Vì vậy, việc nghiên cứu và đề xuất một thiết bị mới với các tính năng có thể khắc phục được những hạn chế nêu trên sẽ được trình bày trong luận án này. 3. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận án là: - Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo được một hệ vi bơm có chức năng trộn và tích hợp cảm biến điện dung có khả năng xác định môi trường lưu chất, đo nồng độ thành phần dung dịch ở đầu ra của thiết bị và hướng tới khả năng tự động điều chỉnh tỷ lệ trộn. - Bước đầu ứng dụng được thiết bị này vào các công việc như phân tích hóa học, cảm biến sinh học và hóa học, phân phối thuốc, phân tách phân tử. Cụ 5
thể là phát triển một thiết bị định hướng ứng dụng trong việc truyền dịch tại các bệnh viện. 4. Nội dung nghiên cứu - Thu thập và nghiên cứu các tài liệu đã công bố về vi bơm, bộ trộn, cảm biến. - Nghiên cứu và đánh giá các mô hình toán học được sử dụng để tính toán, thiết kế, mô phỏng vi bơm, bộ trộn và cảm biến. - Nghiên cứu, lựa chọn giải pháp, thiết kế hệ thống cảm biến điện dung cho việc xác định môi trường lưu chất sau khi trộn. - Tính toán, thiết kế, mô phỏng hoạt động của vi bơm và bộ trộn sử dụng phần mềm các phần tử hữu hạn (COMSOL). - Chế tạo nguyên mẫu vi bơm và tiến hành thực nghiệm khảo sát hoạt động của thiết bị. - Chế tạo cảm biến điện dung tích hợp tại kênh đầu ra của vi bơm. - Thiết kế và xây dựng hệ thống đo và điều khiển vi bơm. - Thực hiện các thử nghiệm để thu thập và phân tích dữ liệu, đánh giá và tối ưu thiết kế. 5. Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu được lựa chọn để thực hiện luận án: - Phương pháp phân tích và tổng hợp: Phương pháp này được sử dụng để tổng hợp và phân tích các công trình nghiên cứu đã công bố trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài của luận án như: vi bơm, bộ trộn, cảm biến... nhằm thấy được các vấn đề cần nghiên cứu. - Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng: Sử dụng công cụ mô phỏng phần tử hữu hạn COMSOL để mô phỏng cơ chế hoạt động, quá trình làm việc của các cấu trúc, bộ phận trong hệ thống, xác định được thông số thiết bị từ đó chế tạo được thiết bị. 6
- Phương pháp thực nghiệm: Sử dụng công nghệ và thiết bị in 3D với độ phân giải cao để chế tạo các mẫu sản phẩm phục vụ cho việc nghiên cứu của luận án. Thiết lập hệ thống đo lường để đánh giá khả năng hoạt động và độ tin cậy của các thiết bị, cũng như đánh giá, hiệu chỉnh và hoàn thiện thiết bị. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ►Ý nghĩa khoa học: Với nhiệm vụ và mục tiêu đặt ra như trên, nội dung của luận án sẽ là cơ sở khoa học cho việc thiết kế và chế tạo vi bơm không van có tích hợp chức năng trộn. Đây là vấn đề nghiên cứu liên ngành Vật lý, Điện tử, Cơ học chất lỏng, Y sinh học. Kết quả nghiên cứu của luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, sẽ có tác động tốt đến lĩnh vực khoa học chuyên môn, đặc biệt là trong các nghiên cứu về vi bơm không van nói riêng và các ứng dụng trong lĩnh vực y sinh nói chung. ►Ý nghĩa thực tiễn: Việc thiết kế, chế tạo được vi bơm không van có tích hợp chức năng trộn, bước đầu góp phần giải quyết một nhu cầu thực tiễn của con người hiện nay về vấn đề chẩn đoán, điều trị, phân phối thuốc nhanh và tự động, áp dụng được các thành tựu khoa học liên ngành Vật lý - Sinh học - Điện tử vào trong đời sống xã hội nước ta. 7. Cấu trúc nội dung của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, nội dung luận án được bố cục thành 4 chương: - Chương 1 trình bày tổng quan tình tình nghiên cứu. Trong chương này, luận án phân tích, tìm hiểu các hệ thống vi bơm, bộ trộn đã được nghiên cứu trên thế giới và trong nước. Từ đó, luận án đề xuất nội dung nghiên cứu và tầm quan trọng của việc thực hiện nghiên cứu. 7
- Chương 2 trình bày chi tiết đề xuất một thiết kế vi bơm không van kết hợp tính năng trộn. Vi bơm đề xuất sử dụng cơ cấu vòi phun/khuếch tán mới. Cùng với đó, việc tính toán và xây dựng mô hình vi bơm bằng phương pháp mô phỏng để tìm ra thông số kích thước tối ưu nhằm chế tạo nguyên mẫu vi bơm trong thực tế. - Chương 3 trình bày thiết kế chi tiết các thông số, kích thước của vi bơm phục vụ việc chế tạo bằng công nghệ in 3D tạo mẫu nhanh độ phân giải cao. Tiếp đó thiết kế và chế tạo mạch điều khiển, xây dựng các hệ đo và thử nghiệm thiết bị. - Chương 4 trình bày chi tiết các thí nghiệm và kết quả nhằm đánh giá các thông số, chức năng của thiết bị như vi bơm, bộ trộn, cảm biến và tối ưu lại hệ thống nhằm đạt được kết quả như mong muốn. 8. Các đóng góp chính của luận án - Luận án đã đề xuất một thiết kế vi bơm sử dụng cấu trúc vòi phun/khuếch tán kiểu mới, vi bơm kết hợp giữa tính năng bơm và trộn trên cùng một thiết bị. - Đã xây dựng được mô hình mô phỏng chức năng bơm và trộn của thiết bị. Các kết quả dữ liệu thu được đã đánh giá được ảnh hưởng của tần số, điện áp, kích thước màng bơm PZT cũng như thông số của cấu trúc vòi phun/khuếch tán đến lưu lượng, áp suất đầu ra của vi bơm, cũng như khả năng trộn của thiết bị. - Đã chế tạo được mẫu vi bơm kết hợp bộ trộn sử dụng cấu trúc vòi phun/khuếch tán bằng công nghệ in 3D độ phân giải cao, có tích hợp cảm biến điện dung để xác định môi trường bơm và tỷ lệ trộn. Các kết quả thí nghiệm đã chứng tỏ thiết bị đã đáp ứng được mục tiêu nghiên cứu đặt ra của đề tài mà luận án đã chọn. Đồng thời khẳng định tiềm năng và đóng góp của nghiên cứu cho các ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực y sinh. 8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về vi bơm Trước những nhu cầu đòi hỏi từ thực tế, việc nghiên cứu về vi bơm đã được bắt đầu từ những năm 1980 và trở thành một lĩnh vực nghiên cứu lớn trong ngành vi điện tử [1,2]. Vi bơm được hiểu là một thiết bị có kích thước nhỏ làm nhiệm vụ bơm, kiểm soát vận chuyển một lượng nhỏ chất lỏng để đáp ứng một yêu cầu cụ thể. Thực hiện chức năng bơm nghĩa là việc di chuyển chất lỏng trong các vi kênh dưới hiệu ứng vật lý nào đó. Dựa trên các nguyên tắc bơm, các vi bơm thường được phân thành hai loại chính là vi bơm cơ học và vi bơm phi cơ học. Vi bơm cơ học chứa các bộ phận chuyển động. Lực truyền động có thể được tạo ra bằng cách sử dụng các hiệu ứng áp điện, tĩnh điện, nhiệt, khí nén hoặc các hiệu ứng từ tính. Trong khi đó, vi bơm phi cơ học hoạt động với lực truyền động thường là điện thẩm, điện hóa hoặc tạo dòng siêu âm… 1.1.1. Vi bơm phi cơ học Vi bơm phi cơ học là những vi bơm không sử dụng chuyển động cơ học để tác động lực lên chất lỏng cần bơm. Trong một số trường hợp đặc biệt một số vi bơm phi cơ học không cần phải cung cấp năng lượng từ bên ngoài để hoạt động và chúng được gọi là bơm phi cơ học thụ động, điển hình là vi bơm mao quản [3]. Loại bơm này sử dụng hiệu ứng mao dẫn và sức căng bề mặt để vận chuyển chất lỏng, cụ thể ở đây, sự bám dính xảy ra giữa chất lỏng và ống mao quản sẽ kéo chất lỏng lên cao. Vi bơm sử dụng sự chênh lệch sức căng bề mặt giữa giọt nhỏ ở đầu vào và giọt lớn hơn ở đầu ra để truyền mẫu chất lỏng cũng đã được nghiên cứu [4-5]. Wang và các cộng sự dùng các chất xốp như giấy để vận chuyển chất lỏng nhờ lực mao dẫn xuất hiện ở bề mặt phân giới giữa chất lỏng - rắn [6]. 9