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

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

: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông

Ngành

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
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
Xác nhận của cán bộ hướng dẫn

TS. Bùi Thanh Tùng

HÀ NỘI ii- 2019


LỜI CẢM ƠN
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

1


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài “Thiết kế chế tạo kênh vi lưu tích hợp cảm biến dựa
trên công nghệ tạo mẫu nhanh” do TS. Bùi Thanh Tùng hướng dẫn là công trình
nghiên cứu của tôi, không sao chép các tài liệu hay công trình của người nào khác.
Tất cả những tài liệu tham khảo phục vụ cho đồ án này đều được nêu nguồn gốc
rõ ràng trong danh mục tài liệu tham khảo và không có việc sao chép tài liệu hoặc đề
tài khác mà không ghi rõ về tài liệu tham khảo.

Hà Nội, tháng 08, năm 2019

Ngô Thị Hà Thu

2


Mục lục
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:
IN 3D

CÔNG NGHỆ VI LƯU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO
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
3


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

4


Danh mục hình vẽ
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
5


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

6


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

7


Danh mục bảng biểu
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

8


Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Ký hiệu

Đơn vị

Ý nghĩa

MEMS

Microelectromechanical systems

Hệ thống vi cơ điện tử

PDMS

Polydimethylsiloxane

Vật liệu PDMS

i3Dp

Inkjet 3D printing

Phương pháp in 3D inkjet

SLS

Selective laser sintering

Phương pháp thiêu kết laser
chọn lọc

SLA

Stereolithography apparatus

In li-tô lập thể/ In nhựa lỏng

FDM

Fused deposition modelling

In bồi đắp/ Đùn nhựa

9


MỞ ĐẦU
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

10


đó mà việc phân tích các kết quả thí nghiệm cũng trở nên dễ dàng hơn, tiết kiệm
nguyên liệu hơn.
Sự phát triển của công nghệ vi lưu đang góp phần tạo ra những phương pháp thí
nghiệm mới trong ngành sinh học cơ bản, ngành khoa học vật liệu và hóa lý.
Từ một loạt các ứng dụng chúng ta có thể thấy được microfluidics là một lĩnh
vực hưng thịnh. Tuy nhiên, việc chế tạo các thiết bị vi lỏng thường phức tạp, tốn thời
gian và đòi hỏi thiết bị phòng sạch tinh vi.

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

11

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ
VI LƯU
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].

12


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
13


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-methylmethacrylate (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].

14


Ưu điểm
Silicon

Nhược điểm

+ Chống lại dung môi hữu cơ

+ Độ cứng cao nên không dễ dàng
chế tạo

+ Dễ lắng đọng kim loại

+ Silicon là vật liệu mờ đục nên

+ Độ dẫn nhiệt cao

khó nhìn xuyên qua dẫn đến khó
khăn khi phát hiện huỳnh quang
hay hình ảnh

Glass

+ Tương thích với các mẫu sinh + Độ cứng cao, chi phí chế tạo cao
học

+ Cần sơ sở bảo vệ và môi trường

+ Không thấm nước

siêu sạch để liên kết

+ Độ hấp phụ thấp
+ Tính dẫn nhiệt cao

+ Cung cấp hiệu suất tốt hơn các
vật liệu khác
Polymers + Tính đa dạng cao mang lại sự + Độ hấp phụ cao với protein trên
linh hoạt

thành kênh

+ Dễ tiếp cận, ít tốn kém hơn so + Bọt khí sản sinh trong quá trình
với vật liệu vô cơ

sản xuất

+ Dễ dàng chế tạo

+ Độ dẫn nhiệt kém

+ Liên kết mạnh mẽ với thủy tinh
+ Thích hợp với các cấu trúc
nhiều lớp

15


+ Tính tương tính sinh học cao
Paper

+ Chi phí thấp

+ Tính chất cơ học yếu, công nghệ

+ Biến đổi hóa học dễ dàng bằng

hạn chế

cách thay đổi thành phần
+ Nguồn nguyên liệu sẵn có
+ Dễ xử lý bằng cách đốt hoặc tự
thoái hóa
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 ...

16


-

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].

17


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].

18


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.

19


CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ VI LƯU DỰA
TRÊN PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO IN 3D
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
sử dụng trong các ứng dụng cụ thể.
2.2.

Các phương pháp in 3D

Hiện nay, trên thế giới có 4 công nghệ in phổ biến nhất là công nghệ SLS, công

nghệ SLA, công nghệ Polyjet và công nghệ FDM. Mỗi kỹ thuật sản xuất này đòi hỏi
20


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).
Công nghệ SLS (Selective laser sintering) là công nghệ in 3D dùng tia laser hóa
rắn các vật liệu dạng bột như bột thủy tinh, bột gốm sứ, thép, nhôm, titan, bạc. Ưu
điểm của công nghệ này là có thể in được các mô hình có thành mỏng, các chi tiết có
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
21


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].

22


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

Hình 2.7 : Một số sản phẩm in từ công nghệ in 3D FDM [16]
Công nghệ in 3D inkjet (i3Dp - inkjet 3D printing) là công nghệ hoạt động giống
máy in mực inkjet nhưng thay vì phun ra mực in trên giấy, máy in 3D công nghệ
Inkjet phun ra từng tia nhựa quang hóa ở dạng lỏng trên một khay tạo dựng. Ưu điểm
23