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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN BỬU LÂM

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ FDM
TRONG CHẾ TẠO SẢN PHẨM Y SINH
Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy
Mã ngành

: 605204

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HCM, tháng 07 năm 2013


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn

Cơng trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn ...................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1: ......................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................

..............................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: ......................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM
ngày……. tháng……. năm……..
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. .............................................
2. ..............................................
3. ..............................................
4. ..............................................
5. ..............................................
Xác nhận của Chủ Tịch Hội đồng đánh giá LV và trưởng khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được chỉnh sửa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

HVTH: Nguyễn Bửu Lâm

TRƯỞNG KHOA

i


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

----------------

----------------

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN BỬU LÂM

Giới tính: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 10/09/1988

Nơi sinh: TÂY NINH

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Mã ngành: 605204
Khoá (Năm trúng tuyển): 2011
1- TÊN ĐỀ TÀI:
“NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ FDM TRONG CHẾ TẠO
SẢN PHẨM Y SINH”
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
-

Nghiên cứu về kĩ thuật chế tạo giàn giáo mô.

-

Thiết kế sản phẩm y sinh bằng kĩ thuật ngược

-

Nghiên cứu thực nghiệm.

-

Báo cáo kết quả đạt được.

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/01/2013
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . .
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

PGS. TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN
TRƯỞNG KHOA
(Họ tên và chữ ký)

HVTH: Nguyễn Bửu Lâm

ii

Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn

LỜI CẢM ƠN

Tri thức là món q vơ giá dành tặng cho nhân loại. Con người thật hạnh phúc
biết bao khi được trang bị cho mình những tri thức quý báu. Em cũng không ngoại lệ
khi được tiếp thu những kiến thức, kinh nghiện từ các thầy cô Đại học Bách khoa
Tp.Hồ Chí Minh. Vì thế, em xin gởi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến quý thầy cô.
Đặc biệt em xin cảm ơn PGS. TS. Đặng Văn Nghìn, người đã định hướng, tận
tình chỉ dẫn, cung cấp tài liệu và ln động viên chúng em có thêm tự tin để hoàn
thành luận văn này. Em cũng gửi lời cảm ơn các anh bên Viện Cơ học và Tin học ứng
dụng đã nhiệt tình hướng dẫn em sử dụng máy in 3 chiều IAMI 01.
Sau cùng em xin cảm ơn ba, mẹ, chị, những người thân và bạn bè đã tạo điều
kiện tốt nhất và là chỗ dựa tinh thần vững chắc cho em trong suốt thời gian học tập,
tìm hiểu, thực hiện và hoàn tất luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn!

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 06 năm 2013
Học Viên

Nguyễn Bửu Lâm

HVTH: Nguyễn Bửu Lâm

iii

Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn

LỜI CAM KẾT

Tôi tên: NGUYỄN BỬU LÂM
Học viên lớp: Cao học công nghệ chế tạo máy K2011
Mã số học viên: 11040392
Theo quyết định giao đề tài luận văn cao học của Phòng đào tạo Sau đại học,
Đại học Bách khoa Tp.HCM, tôi đã thực hiện luận văn cao học với đề tài “Nghiên
cứu áp dụng công nghệ FDM trong chế tạo sản phẩm y sinh” dưới sự hướng dẫn
của PGS. TS. Đặng Văn Nghìn từ ngày 14/01/2013 đến ngày 21/06/2013.
Tơi cam kết đây là luận văn cao học do tôi thực hiện. Tôi đã thực hiện luận
văn theo đúng quy định của Phòng đào tạo Sau đại học, Đại học Bách Khoa, Đại
học Quốc gia Tp. HCM và theo sự hướng dẫn của PGS. TS. Đặng Văn Nghìn.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm với những lời cam kết trên đây. Nếu có
sai phạm trong q trình thực hiện luận văn, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 06 năm 2013
Học Viên

Nguyễn Bửu Lâm

HVTH: Nguyễn Bửu Lâm

iv

Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn

TĨM TẮT
Cấy ghép các bộ phận giả mang lại hy vọng cho nhiều bệnh nhân bị mất mát
hoặc hư hỏng bộ phận cơ thể, giúp duy trì sự sống hoặc khơi phục lại thẩm mĩ cho
hình dánh bên ngồi của bệnh nhân. Một lĩnh vực liên ngành và đa ngành nhằm mục
đích tái tạo các mô sinh học và các cơ quan chức năng. Lĩnh vực này gọi là kĩ thuật
mô. Kĩ thuật mô là việc nghiên cứu sự phát triển các mô liên kết, hoặc các cơ quan, từ
các giàn giáo mô và tế bào tạo ra một cơ quan chức năng, rồi sau đó cấy ghép cơ quan
đó vào trong cơ thể bệnh nhân.
Giàn giáo mơ đóng một vai trị quan trọng trong kĩ thuật mơ bởi vì nó hoạt động
như ma trận ngoại bào nhân tạo tạm thời tạo chỗ ở cho tế bào, giúp tế bào sinh sôi nảy
nở và biệt hóa, hỗ trợ cho sự hình thành mơ mới/cơ quan mới. Chế tạo giàn giáo mơ vì
thế mà có tầm quan trọng nền tảng trong kĩ thuật mơ. Trong nhiều kĩ thuật chế tạo giàn
giáo mơ có sẵn, công nghệ tạo mẫu nhanh đặc biệt là công nghệ FDM đã thu hút rất
nhiều sự chú ý trong những năm gần đây. Cơng nghệ này có thể cải thiện việc chế tạo
giàn giáo truyền thống bằng cách kiểm soát vi cấu trúc của giàn giáo, kết hợp các tế
bào vào giàn giáo và điều chỉnh phân bố tế bào trên giàn giáo. Tuy nhiên, các tài liệu,
bài báo nghiên cứu về cách chế tạo giàn giáo mô tại Việt Nam hiện tại chưa có. Chính
vì lẽ đó, đề tài "Nghiên cứu áp dụng công nghệ FDM trong chế tạo sản phẩm y
sinh" với mục đích nghiên cứu các kĩ thuật chế tạo giàn giáo mô, sử dụng công nghệ
FDM trong chế tạo sản phẩm y sinh.
Đề tài “Nghiên cứu áp dụng công nghệ FDM trong chế tạo sản phẩm y sinh”
được trình bày trong 5 chương:
 Chương I: Giới thiệu đề tài. Đây là phần giới thiệu tổng quan về các sản phẩm y
sinh dùng trong cấy ghép, tình hình thực tế và sự cấp thiết của đề tài. Từ đó đặt
ra mục tiêu cụ thể của luận văn.
 Chương II: Tổng quan về giàn giáo mô. Chương này giới thiệu về giàn giáo mô,

các kĩ thuật chế tạo và vật liệu sinh học để chế tạo giàn giáo mơ, sau đó phân
tích so sánh ưu nhược điểm, phạm vi ứng dụng của các kĩ thuật chế tạo giàn
giáo mơ. Bên cạnh đó, chương này cịn trình bày tình hình nghiên cứu trên thế

HVTH: Nguyễn Bửu Lâm

v


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn

giới cũng như tại Việt Nam về ứng dụng công nghệ FDM trong chế tạo sản
phẩm y sinh.
 Chương III: Thiết kế sản phẩm y sinh bằng kĩ thuật ngược. Chương này trình
bày về quy trình sử dụng kĩ thuật ngược để thiết kế sản phẩm y sinh. Sau đó,
phân tích so sánh các phương pháp quét dữ liệu, các phương pháp xử lí dữ liệu
quét, các phần mềm kĩ thuật ngược.
 Chương IV: Nghiên cứu thực nghiệm. Chương này đưa ra quy trình chế tạo các
sản phẩm y sinh như mũi nhân tạo, tim nhân tạo.
 Chương V: Kết quả thực hiện đề tài và phương hướng phát triển.
Luận văn đã thể hiện rõ mục tiêu, nhiệm vụ đề ra thông qua việc xây dựng được
đường lối kết hợp giữa kĩ thuật ngược và công nghệ FDM trong thiết kế, chế tạo các
sản phẩm y sinh. Bước đầu, luận văn đã thiết kế, chế tạo được mũi giả, giàn giáo tim
tạo tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo.

HVTH: Nguyễn Bửu Lâm

vi

Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn

ABSTRACT
Transplantation prostheses have brought hope to many patients lost or damaged
body parts, helping maintain life or restoring aesthetics of the external shape of the
patient. An emerging field of interdisciplinary and multi-purpose renewable biological
tissues and organs function. This area is called as tissue engineering. Tissue
engineering is the study of the development of connective tissue, or organs, from
tissue scaffolds and cells to create a functional organ, then implanted it into the
agencies patient.
Tissue scaffolds play an important role in tissue engineering because it acts as
temporary artificial extracellular matrices that creat accommodation for cell, help cells
proliferation and differentiation, support formation of new tissues/organs. Fabrication
of tissue scaffolds is thus of fundamental importance for tissue engineering. Of the
variety of tissue scaffold fabrication techniques available, rapid prototyping (RP)
technology especially FDM technology has attracted a great deal of attention in recent
years. This technology can improve conventional scaffold fabrication by controlling
scaffold’s microstructure, incorporating cells into scaffolds and regulating cell
distribution. However, the documents, research papers about tissue scaffolds’
fabrication in Vietnam is not currently available. Therefore, project “Research
application FDM technology in the manufacture of biomedical products” for the
purpose of study tissue scaffold fabrication techniques, using FDM technology in
manufacture of biomedical products.
Project "Research application FDM technology in the manufacture of
biomedical products" is presented in five chapters:
 Chapter I: Introduction of topic. This is an overview of the biomedical products

used in transplantation, the actual situation and the urgency of the subject. Since
then set specific objectives of the research.
 Chapter II: Overview of tissue scaffolds. This chapter introduces tissue
scaffold, fabrication techniques and biomaterial for manufacturing tissue
scaffold, then comparative analysis of advantages, disadvantages, scope of
application of the tissue scaffold fabrication technique. In addition, this chapter
HVTH: Nguyễn Bửu Lâm

vii


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn

presents the research situation in the world as well as in Vietnam about
application FDM technology in the manufacture of biomedical products.
 Chapter III: Design of biomedical products by Reverse Engineering. This
chapter presents the process using reverse engineering to design biomedical
products. Then, comparative analysis of data scanning methods, methods of
processing data scanning, reverse engineering softwares.
 Chapter IV: Experimental study. This chapter gives fabrication process of
biomedical products such as artificial nose, artificial heart.
 Chapter V: Results of the project and development direction.
Thesis has presented clear goals and tasks that were set out by building the way
combination of reverse engineering and FDM technology in design and manufacture
of biomedical products. Initially, the thesis has designed and manufactured the
artificial nose, heart’s scaffold set the stage for next studies.

HVTH: Nguyễn Bửu Lâm

viii


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ .............................................................................ii
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. iii
LỜI CAM KẾT.............................................................................................................iv
TĨM TẮT ......................................................................................................................v
ABSTRACT .................................................................................................................vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................... xiii
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................xvi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................................xvii
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI............................................................................1
1.1. GIỚI THIỆU VỀ CÁC SẢN PHẨM Y SINH .....................................................1
1.2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI........................................................................8
1.3. MỤC TIÊU LUẬN VĂN .....................................................................................9
1.4. NỘI DUNG LUẬN VĂN.....................................................................................9
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ GIÀN GIÁO MÔ .................................................10
2.1. TỔNG QUAN VỀ GIÀN GIÁO MƠ.................................................................10
2.1.1. Nền tảng về kĩ thuật mơ ...............................................................................11
2.1.1.1. Tế bào ....................................................................................................12
2.1.1.2. Ma trận ngoại bào .................................................................................14
2.1.2. Nền tảng về giàn giáo mơ............................................................................14
2.1.3. Cấu trúc và tính chất giàn giáo mô .............................................................15
2.2. VẬT LIỆU SINH HỌC TRONG CHẾ TẠO GIÀN GIÁO MÔ .......................16

2.2.1. Polymer tổng hợp ........................................................................................17
2.2.2. Polymer tự nhiên .........................................................................................18
2.2.2.1. Polymer dựa trên protein ......................................................................18
HVTH: Nguyễn Bửu Lâm

ix


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn

2.2.2.2. Polymer dựa trên carbohydrate ............................................................19
2.3. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO GIÀN GIÁO MƠ .....................................................20
2.3.1. Kĩ thuật chế tạo thơng thường.....................................................................20
2.3.1.1. Đúc dung môi (Solvent casting) ............................................................21
2.3.1.2. Đông khô nhũ tương (Emulsion Freeze-drying) ...................................22
2.3.1.3. Đúc nóng chảy (Melt moulding)............................................................22
2.3.2. Kĩ thuật tạo mẫu nhanh ...............................................................................24
2.3.2.1. Công nghệ FDM ....................................................................................24
2.3.2.2. Công nghệ 3D Printing (3DP) ..............................................................25
2.3.2.3. Cơng nghệ SLA (Stereolithography) .....................................................26
2.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU..............................................................................29
2.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ..............................................................29
2.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ................................................................30
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ SẢN PHẨM Y SINH BẰNG KĨ THUẬT NGƯỢC .....35
3.1. NGUYÊN LÍ CƠ BẢN CỦA KĨ THUẬT NGƯỢC..........................................35
3.2. CÁC BƯỚC THIẾT KẾ SẢN PHẨM Y SINH BẰNG KĨ THUẬT NGƯỢC .35
3.2.1. Giai đoạn quét hình .....................................................................................36
3.2.1.1. Quét dạng tiếp xúc.................................................................................36

3.2.1.2. Quét dạng khơng tiếp xúc ......................................................................37
3.2.2. Xử lí dữ liệu .................................................................................................45
3.2.2.1. Dữ liệu là đám mây điểm hoặc lưới đa giác .........................................45
3.2.2.2. Dữ liệu là lát cắt 2D..............................................................................47
3.2.3. Giai đoạn ứng dụng.....................................................................................48
3.3. PHẦN MỀM KĨ THUẬT NGƯỢC ...................................................................49
3.3.1. Phần mềm kĩ thuật ngược chuyên dụng ......................................................49

HVTH: Nguyễn Bửu Lâm

x


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn

3.3.2. Phần mềm CAD thơng dụng tích hợp module khơi phục lại bề mặt ...........49
3.3.3. Phần mềm chuyên xử lí ảnh y học ...............................................................50
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ......................................................51
4.1. CẤU TẠO TIM, MŨI NGOÀI ..........................................................................51
4.1.1. Cấu tạo tim ..................................................................................................51
4.1.2. Cấu tạo mũi ngoài .......................................................................................51
4.2. CÁC THÀNH PHẦN CẦN THIẾT KHI TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM .......52
4.2.1. Phần cứng....................................................................................................52
4.2.2. Phần mềm ....................................................................................................54
4.3. THÍ NGHIỆM 1 .................................................................................................54
4.3.1. Mục đích ......................................................................................................54
4.3.2. Phương pháp ...............................................................................................54
4.3.2.1. Quét khn mặt của tình nguyện viên ...................................................55

4.3.2.2. Xử lí dữ liệu ...........................................................................................55
4.3.2.3. Tạo mẫu nhanh mũi nhân tạo................................................................59
4.3.3. Kết luận .......................................................................................................61
4.4. THÍ NGHIỆM 2 .................................................................................................61
4.4.1. Mục đích ......................................................................................................61
4.4.2. Phương pháp ...............................................................................................62
4.4.2.1. Xử lí dữ liệu ...........................................................................................62
4.4.2.2. Tạo mẫu nhanh ......................................................................................63
4.4.2.3. Tạo bộ khuôn thạch cao ........................................................................64
4.4.2.4. Đúc mũi giả bằng vật liệu silicon..........................................................65
4.4.3. Kết luận .......................................................................................................65
4.5. THÍ NGHIỆM 3 .................................................................................................66

HVTH: Nguyễn Bửu Lâm

xi


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn

4.5.1. Mục đích ......................................................................................................66
4.5.2. Phương pháp ...............................................................................................66
4.5.2.1. Xử lí dữ liệu ...........................................................................................66
4.5.2.2. Tạo mẫu nhanh giàn giáo tim................................................................67
4.5.3. Kết luận .......................................................................................................69
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT
TRIỂN...........................................................................................................................70
5.1. NHỮNG VẤN ĐỀ ĐÃ THỰC HIỆN ................................................................70

5.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .......................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................71

HVTH: Nguyễn Bửu Lâm

xii


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Các dạng sản phẩm y sinh................................................................................2
Hình 1.2 Các bộ phận của cơ thể người..........................................................................2
Hình 1.3 So sánh tim nhân tạo SynCardia Total Artificial Heart & tim sinh học ..........3
Hình 1.4 Tim nhân tạo Abio

Hình 1.5 Hệ thống tim nhân tạo Abio ..................4

Hình 1.6 Một cơng trình ni tim trong phịng thí nghiệm (ĐH Minnesota, Mĩ) [17]....5
Hình 1.7 Hệ thống chạy thận nhân tạo............................................................................6
Hình 1.8 Vành tai được nuôi cấy bên trong da của cánh tay bệnh nhân........................6
Hình 1.9 Quy trình tái tạo mũi trên cánh tay bệnh nhân ................................................7
Hình 1.10 Mũi giả khơng có ni cấy tế bào ..................................................................8
Hình 1.11 Bệnh nhân trước và sau khi gắn mũi giả........................................................8
Hình 2.1 Kĩ thuật mơ có sự hỗ trợ của máy tính (Computer - Aided Tissue Engineering
– CATE) .................................................................................................................10
Hình 2.2 Kĩ thuật mơ (Tissue Engineering) [5].............................................................11
Hình 2.3 Tương quan giữa thiết kế kĩ thuật và phát triển sinh học ..............................12

Hình 2.4 Mơ hình giàn giáo mơ.....................................................................................14
Hình 2.5 Giàn giáo chế tạo thông qua phương pháp truyền thống (A) và phương pháp
tạo mẫu nhanh (B) [4] ...........................................................................................20
Hình 2.6 Các bước thực hiện trong phương pháp Đúc dung môi [13] .........................21
Hình 2.7 Các bước thực hiện trong phương pháp Đơng khơ nhũ tương ......................22
Hình 2.8 Các bước thực hiện trong phương pháp Đúc nóng chảy ...............................23
Hình 2.9 Ngun lí của cơng nghệ FDM.......................................................................25
Hình 2.10 Các thơng số đùn của cơng nghệ FDM ........................................................25
Hình 2.11 Ngun lí cơng nghệ 3D Printing.................................................................26
Hình 2.12 Ngun lí cơng nghệ SLA .............................................................................27
Hình 2.13 Giàn giáo vành tai được chế tạo bằng cơng nghệ FDM..............................29
Hình 2.14 Tai của cậu bé Chung trước (a) và sau (b) khi cấy ghép .............................29
Hình 2.15 Tổng thể của quy trình chế tạo chi tiết cấy ghép bằng công nghệ tạo mẫu
nhanh .....................................................................................................................32
Hình 2.16 Giao diện của MIMICS
HVTH: Nguyễn Bửu Lâm

Hình 2.17 Mơ hình 3D của sọ khuyết .................32
xiii


Luận văn Thạc sĩ
Hình 2.18 Xử lí dạng khối

GVHD: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn
Hình 2.19 Xử lí bề mặt lưới bằng Geomagic.................32

Hình 2.20 Quy trình chế tạo bộ khn thạch cao .........................................................33
Hình 2.21 Mẫu từ máy tạo mẫu nhanh

Hình 2.22 Chi tiết cấy ghép ...........33

Hình 3.1 Các giai đoạn thiết kế sản phẩm y sinh bằng kĩ thuật ngược [17].................36
Hình 3.2 Máy đo tọa độ CMM của hãng Mitutoyo .......................................................37
Hình 3.3 Ngun lí qt bằng laser [17] .......................................................................38
Hình 3.4 Ngun lí qt bằng ánh sáng có cấu trúc .....................................................38
Hình 3.5 Ngun lí chụp ảnh nổi...................................................................................39
Hình 3.6 Ngun lí siêu âm 3D .....................................................................................40
Hình 3.7 Ngun lí chụp CT ..........................................................................................40
Hình 3.8 Ngun lí chụp MRI........................................................................................42
Hình 3.9 Các thành phần xây dựng nên mơ hình lưới đa giác, mơ hình bề mặt,
mơ hình CAD .........................................................................................................45
Hình 3.10 Các bước xử lí dữ liệu điểm, dữ liệu lưới đa giác........................................46
Hình 4.1 Cấu tạo tim người...........................................................................................51
Hình 4.2 Khung xương sụn của mũi ngồi....................................................................52
Hình 4.3 Máy qt DAVID-SLS-1 .................................................................................53
Hình 4.4 Máy in 3 chiều IAMI 01..................................................................................53
Hình 4.5 Quy trình chế tạo mũi giả bằng vật liệu PLA.................................................54
Hình 4.6 Qt khn mặt của tình nguyện viên ............................................................55
Hình 4.7 Tái tạo dữ liệu khuôn mặt bằng phần mềm David Laser Scanner .................55
Hình 4.8 Bề mặt mũi đã được làm trơn nhẵn bằng Rapidform.....................................56
Hình 4.9 Bề mặt mũi sau khi tạo surface.......................................................................57
Hình 4.10 File Mui_surface.step trong mơi trường Solidwork .....................................57
Hình 4.11 Bề mặt mũi sau khi merge các mặt nhỏ........................................................58
Hình 4.12 File mũi ở dạng solid sau khi xử lí ...............................................................58
Hình 4.13 Giao diện phần mềm Slic khi xuất file G-code .............................................59
Hình 4.14 Giao diện phần mềm Pronterface khi tiến hành tạo mẫu nhanh .................60
Hình 4.15 Tiến hành quá trình đùn mẫu .......................................................................60
Hình 4.16 Mẫu chưa gỡ bỏ vật liệu đỡ..........................................................................61
Hình 4.17 Mũi giả bằng vật liệu PLA............................................................................61

HVTH: Nguyễn Bửu Lâm

xiv


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn

Hình 4.18 Quy trình chế tạo mũi giả bằng silicon ........................................................62
Hình 4.19 File mũi ở dạng solid sau khi xử lí xong ......................................................62
Hình 4.20 Mẫu chưa gỡ bỏ vật liệu đỡ..........................................................................63
Hình 4.21 Mẫu sau khi gỡ bỏ vật liệu đỡ ......................................................................63
Hình 4.22 Quy trình tạo bộ khn thạch cao ................................................................64
Hình 4.23 Bộ khn thạch cao: đực (trái) và cái (phải) ...............................................65
Hình 4.24 Mũi nhân tạo bằng silicon............................................................................65
Hình 4.25 Quy trình chế tạo giàn giáo mơ của tim nhân tạo........................................66
Hình 4.26 File Human Heart.Step được Import vào trong Solidwork..........................67
Hình 4.27 Tiến hành quá trình chế tạo giàn giáo tim ...................................................68
Hình 4.28 Giao diện phần mềm Prontenface khi thực hiện đùn giàn giáo tim.............68
Hình 4.29 Mẫu chưa gỡ bỏ vật liệu đỡ..........................................................................69
Hình 4.30 Giàn giáo tim sau khi gỡ bỏ vật liệu đỡ .......................................................69

HVTH: Nguyễn Bửu Lâm

xv


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Kích thước khe hở của giàn giáo mơ tương ứng với các loại tế bào cụ thể [4]
...............................................................................................................................16
Bảng 2.2 Các polymer tự nhiên và polymer nhân tạo cho các ứng dụng lâm sàng [2] 19
Bảng 2.3 So sánh các kĩ thuật chế tạo giàn giáo mô khác nhau [2] .............................27
Bảng 3.1 So sánh các phương pháp quét ......................................................................43
Bảng 3.2 Ứng dụng của các phương pháp xử lí dữ liệu................................................48

HVTH: Nguyễn Bửu Lâm

xvi


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
FDM

:

Fused Deposition Modeling

CAD

:

Computer - Aided Design

GAG

:

Glycosaminoglycan

ECM

:

Extracellular Matrix

PLA

:

Poly Lactic Acid

PLLA

:

Poly L - Lactic Acid

PCL

:

Poly -Caprolactone

PGA

:

Poly Glycolic Acid

PLGA

:

Poly Lactic-Co-Glycolic Acid

PHA

:

Polyhydroxyalkanoates

PU

:

Polyurethanes

PHEMA :

Poly 2-hydroxyethyl methacrylate

CMM

:

Coordinate Measuring Machine

SLS

:

Structured Light System

CT

:

Computed tomography

MRI

:

Magnetic Resonance Imaging

NURBS :

Nonuniform rational B-spline

LASER :

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

MIMICS :

Materialise’s Interactive Medical Image Control Systems

DICOM :

Digital Imaging and Communications In Medical

FEA

Finite Element Analysis

:

HVTH: Nguyễn Bửu Lâm

xvii


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn
1 CHƯƠNG

1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1. GIỚI THIỆU VỀ CÁC SẢN PHẨM Y SINH
Các sản phẩm y sinh là các cơ quan, bộ phận nhân tạo thay thế cho các cơ quan
hoặc bộ phận của con người bị thối hóa hoặc hư hỏng. Lý do để chế tạo và cấy ghép
cơ quan nhân tạo, một quá trình cực kỳ tốn kém, mà có thể dẫn đến dịch vụ bảo trì liên
tục trong nhiều năm trong khi khơng cần thiết đối với cơ quan tự nhiên của con người,
bao gồm:
 Hỗ trợ cho sự sống để ngăn chặn cái chết sắp xảy ra trong khi chờ được
cấy ghép (ví dụ như tim nhân tạo, ...).
 Cải thiện đáng kể khả năng tự chăm sóc của bệnh nhân (ví dụ như chân
tay nhân tạo).
 Cải thiện khả năng của bệnh nhân để tương tác xã hội (ví dụ như ốc tai
điện tử, ...).
 Phục hồi thẩm mỹ sau khi phẫu thuật ung thư hoặc tai nạn (ví dụ như
vành tai, mũi ngoài,...).
Phương châm “sức khoẻ là vàng” đã cho thấy vai trò của sức khoẻ trong cuộc sống của
con người, bởi thế khi sức khoẻ không tốt người ta thường tìm cách phục hồi sức khỏe
của mình.
Các sản phẩm y sinh dùng trong cấy ghép được thiết kế, chế tạo phù hợp với
cấu tạo của bộ phận cần thay thế của từng bệnh nhân. Các bộ phận thay thế rất đa dạng
tùy theo chức năng: tim nhân tạo, thận nhân tạo, sọ người, khớp háng… Các bộ phận
nhân tạo có thể được chế tạo bằng cơng nghệ tạo mẫu nhanh, ứng với mỗi bộ phận có
các đặc điểm riêng: các bộ phận chỉ cần phần “khung” là chủ yếu, việc cấy ghép thêm
tế bào có thể có hoặc khơng cũng được như vành tai, mũi ngoài... trong khi nhiều bộ
phận nội quan cần thiết phải cấy thêm mô, tế bào như gan, thận, tim, … Điều này được
minh họa qua hình 1.1.

HVTH: Nguyễn Bửu Lâm

1

Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn

Hình 1.1 Các dạng sản phẩm y sinh

Hình 1.2 Các bộ phận của cơ thể người
Hình 1.2 mơ tả một cách trực quan các bộ phận của cơ thể người trong đó nhấn mạnh
các yếu tố kĩ thuật quan trọng trong kĩ thuật mô phụ thuộc vào từng bộ phận: hệ thống
tuần hoàn (tim) cần đáp ứng yêu cầu về giới hạn mỏi, hệ thống thần kinh (não, tủy
sống, thần kinh) thì yêu cầu về tính chất dẫn điện và nhiệt, hệ thống bài tiết (da, gan,
thận) thì cần khả năng thẩm thấu, hệ thống xương (xương, sụn, cơ, dây chằng) thì yêu

HVTH: Nguyễn Bửu Lâm

2


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn

cầu về tính chất cơ học và theo module, hệ thống tiêu hóa (dạ dày, ruột) thì cần ổn
định hóa học, hệ thống hô hấp (phổi) yêu cầu về giới hạn mỏi và khả năng thẩm thấu.
Các sản phẩm nhân tạo thay thế có thể giống với bộ phận người thật về hình
dáng bên ngồi và chức năng sinh học, hoặc chỉ giống về chức năng sinh học cịn hình
dáng khác biệt hoàn toàn. Tim nhân tạo là một trong những bộ phận có hình dạng khác
biệt so với tim sinh học của con người. Tim là bộ phận quan trọng trong hệ tuần
hồn của con người, giúp duy trì sự sống cho con người. Hình 1.3 thể hiện sự so sánh

giữa tim nhân tạo SynCardia Total Artificial Heart (do SynCardia Systems, Inc. , Mĩ
chế tạo) làm bằng nhựa sinh học có hình dáng bên ngồi khác biệt so với tim người
thật nhưng nguyên lí hoạt động giống nhau; loại tim nhân tạo này kết hợp sinh học –
cơ – điện có thể thay thế tâm thất trái, tâm thất phải và 4 van tim, trong khi vẫn sử
dụng tâm nhĩ trái, tâm nhĩ phải, động mạch chủ, động mạch phổi của bệnh nhân. Quả
tim được hoạt động bằng một máy bơm khí nén mà bệnh nhân có thể mang nó trong
balơ đeo trên người. Pin duy trì hoạt động cho quả tim nhân tạo cần phải được nạp
điện thường xuyên. Loại tim nhân tạo này đã giúp con người giành lại sự sống từ ranh
giới mong manh giữa sống và chết.

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

HVTH: Nguyễn Bửu Lâm

3


Luận văn Thạc sĩ

Hình 1.4 Tim nhân tạo Abio

GVHD: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn

Hình 1.5 Hệ thống tim nhân tạo Abio

Hình 1.4 là một loại tim nhân tạo khác được làm từ titan và nhựa sinh học, có tên gọi
là AbioCor Implantable Replacement Heart (do AbioMed, Inc., Mĩ chế tạo) hay gọi tắt
là Abio. Cũng giống như tim nhân tạo ở hình 1.3, tim nhân tạo Abio cũng chỉ thay thế
tâm thất trái, tâm thất phải, 4 van tim, và cũng sử dụng 4 bộ phận còn lại của bệnh
nhân: tâm nhĩ trái, tâm nhĩ phải, động mạch chủ và động mạch phổi. Cốt lõi của

AbioCor là một chiếc bơm thuỷ lực bơm chất lỏng từ bên này qua bên kia, gồm các bộ
phận (hình 1.5) [17]:
 Bơm thuỷ lực (hydraulic pump): ý tưởng cơ bản giống như những chiếc bơm sử
dụng trong những hệ thống phức tạp khác. Lực được tập trung tại một điểm và
được truyền tới điểm khác qua khối chất lỏng không nén ép được. Động cơ
trong bơm quay 10.000 vòng/phút để tạo nên áp lực.
 Van (valve): van đóng mở giúp máu chảy từ bên này sang bên kia các buồng
tim.
 Hệ thống nguồn không dây (wireless energy transfer system) hay còn gọi là hệ
thống truyền năng lượng qua da bao gồm 2 cuộn dây, một bên trong và một bên
ngoài, năng lượng được truyền qua 2 cuộn dây bằng dòng điện từ cục pin ngồi
cơ thể mà khơng cần đâm xun qua da. Cuộn bên trong sẽ nhận năng lượng và
chuyển nó vào chiếc pin bên trong để vận hành thiết bị.
 Tim Abio gồm 2 cục pin : pin bên trong (internal rechargeable battery) có khả
năng sạc lại được cấy vào trong bụng bệnh nhân, giúp tim vận hành trong
HVTH: Nguyễn Bửu Lâm

4


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn

khoảng 30 – 40 phút, đủ để bệnh nhân làm một số việc như tắm gội... mà khơng
cần gắn pin bên ngồi; pin bên ngoài (external battery pack) được gắn trên một
chiếc khoá dán quanh thắt lưng bệnh nhân, loại pin này có thể sạc được - mỗi
lần sạc đầy có khả năng sử dụng từ 4 đến 5 giờ đồng hồ.
 Bộ điều khiển (controller): Một thiết bị nhỏ được gắn trên thành bụng bệnh
nhân. Nó theo dõi và điều khiển tần số nhịp tim bệnh nhân.

Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều cơng trình nghiên cứu ni cấy tim người từ tế bào
gốc trong phịng thí nghiệm. Điển hình là các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Minnesota
(Mĩ) đã tạo ra tim nhân tạo bằng cách loại bỏ các tế bào cơ tim trên tim của người hiến
tặng, tạo thành các “khung” tim (hình 1.6). Sau đó, các nhà khoa học tiến hành tiêm tế
bào cơ tim gốc của người bệnh vào “khung” tim để nuôi cấy thành các tế bào cơ tim
khỏe mạnh. Do các quả tim được nhào nặn từ các tế bào gốc nên thích ứng với các mơ
tim của người bệnh, do đó quả tim có thể đập lại bình thường.

Hình 1.6 Một cơng trình ni tim trong phịng thí nghiệm (ĐH Minnesota, Mĩ) [17]
Cùng với tim nhân tạo, thận nhân tạo cũng góp phần vào việc duy trì sự sống
cho con người. Thận là một bộ phận quan trọng của hệ tiết niệu, nó có nhiều chức
năng: lọc máu tự nhiên trong cơ thể, điều chỉnh các chất điện phân, duy trì sự ổn định
axit-bazơ, điều chỉnh huyết áp, tái hấp thụ nước, glucose, và các axít amin. Đối với các
bệnh nhân suy thận mãn tính, thì thận yếu hoặc khơng cịn khả năng lọc chất độc trong
máu, nếu máu không được làm sạch sẽ có thể dẫn đến tử vong. Do tính chất phức tạp
của thận mà cho đến nay vẫn chưa có nước nào thành công trong việc tạo ra thận nhân
tạo giống với thận sinh học của con người có thể cấy ghép được vào trong cơ thể, việc

HVTH: Nguyễn Bửu Lâm

5


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn

lọc máu để duy trì mạng sống chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp chạy thận
nhân tạo (Hình 1.7).

Hình 1.7 Hệ thống chạy thận nhân tạo
Các bộ phận bên ngoài cơ thể cũng có vai trị quan trọng trong cuộc sống con
người. Đó là tạo sự cân đối, trọn vẹn để con người có thể thoải mái khi giao tiếp,
khơng cịn phải mặc cảm, và vui vẻ tận hưởng cuộc sống. Những bộ phận đó gồm có:
mũi ngồi, vành tai.

Hình 1.8 Vành tai được nuôi cấy bên trong da của cánh tay bệnh nhân
HVTH: Nguyễn Bửu Lâm

6


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Đặng Văn Nghìn

Các bác sĩ Bệnh viện Đại học Y Dược Johns Hopkins (Mỹ) vừa cấy ghép thành công
một bên tai mới cho một phụ nữ bị mất tai do ung thư bằng phương pháp ni dưỡng
sụn trên cánh tay (Hình 1.8). Họ đã tạo ra một vành tai cho bệnh nhân bằng sụn từ các
bộ phận khác trên cơ thể. Sau đó, họ nuôi dưỡng đôi tai bằng sụn trên cánh tay hơn 4
tháng rồi mới ghép vào đầu. Kết quả tai bằng sụn hoạt động khá tốt.
Các chuyên gia ở Đại học College London (Anh) đã nuôi cấy thành công mũi
người từ tế bào gốc của bệnh nhân (Hình 1.9). Khn của chiếc mũi mới ban đầu được
đúc từ thủy tinh, sau đó phun một loại vật liệu tổng hợp để tạo “khung” cho các tế bào
gốc bám vào và phát triển. Sau đó, các nhà khoa học tiến hành gỡ bỏ khuôn thủy tinh
để tạo thành “khung”, rồi cấy tế bào gốc lên. Sau đó, chiếc khung đã phủ tế bào gốc
được cấy vào bên trong da cánh tay của bệnh nhân. Chiếc mũi mới cũng chứa mạng
lưới các dây thần kinh và mạch máu giống như lớp da từ cánh tay của bệnh nhân.

Hình 1.9 Quy trình tái tạo mũi trên cánh tay bệnh nhân

Trong khi các chuyên gia ở Đại học College London và các bác sĩ ở Bệnh viện
Y Dược Johns Hopkins chế tạo ra vành tai, mũi ngồi có cấy ghép tế bào thì Alec
Gillis, nghệ sĩ tạo hiệu ứng tại Hollywood, đã tạo chiếc mũi giả khơng có cấy ghép tế
bào để gắn lên vùng mũi bị khuyết của bệnh nhân bằng cách dùng keo hoặc dùng nam
châm hay kẹp ghim gắn trên mắt kính (Hình 1.10, 1.11). Loại mũi này chỉ nhằm mục
đích tạo thẩm mỹ cho khuôn mặt bệnh nhân.

HVTH: Nguyễn Bửu Lâm

7