CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.3. Một số công nghệ chế tạo vi bơm
42
ưu. Cơ chế trộn chủ động có thể cho phép giải quyết được các thách thức trộn đối với chất lỏng phi Newton [99]. Hơn nữa, việc trộn chủ động không yêu cầu dòng chất lỏng hoạt động, và do đó có thể được áp dụng cho các khoang vi lỏng có chất lỏng ứ đọng.
Cuối cùng, hầu hết các thiết bị trộn chủ động được trình bày ở trên được chế tạo từ vật liệu PDMS sử dụng kỹ thuật in soft-lithography, in 3D. Cách tiếp cận này rất phù hợp cho các mục đích nghiên cứu và phát triển, nhưng đối với ứng dụng công nghiệp, đây không phải là cách tiếp cận tốt nhất vì sản xuất tương đối đắt và chậm, ngoài việc vật liệu PDMS hấp thụ các phân tử nhỏ là một bất lợi cho các ứng dụng y sinh. Tuy nhiên, các phương thức trộn đã đề cập cũng có thể được thực hiện nhờ sử dụng các vật liệu phù hợp hơn và các phương pháp chế tạo như ép nhựa dẻo trên khuôn nhiệt [90]. Ngoài ra, một số phương pháp yêu cầu bao gồm các điện cực hoặc vật liệu áp điện sẽ có chi phí chế tạo cao hơn.
43
Nhìn chung, mỗi phương pháp đều có một số ưu nhược điểm nhất định, cụ thể:
- Kỹ thuật quang khắc laze có thể chế tạo dễ dàng các thiết bị vi lưu với thiết kế mong muốn bằng kỹ thuật khắc trực tiếp (direct - write). Tuy nhiên, hạn chế của kỹ thuật này là kênh tạo ra thường có kích thước lớn [100];
- Kỹ thuật chạm nổi nóng là một công nghệ nhanh và ít tốn kém, nhưng nó cần một thiết bị nén chuyên dụng và một cái khuôn chắc chắn, dẫn đến việc tiêu tốn thời gian. Điều này khiến cho phương pháp chạm nổi nóng không được sử dụng phổ biến để chế tạo các thiết bị vi lưu ngày nay [100];
- Kỹ thuật ép khuôn bằng nhiệt được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp do độ phức tạp của thiết bị khuôn và quá trình chế tạo mất nhiều thời gian. Tuy nhiên, nó lại phù hợp với quy trình sản xuất hàng loạt và sản phẩm có kích thước lớn;
- Với việc sử dụng vật liệu PDMS, kỹ thuật soft-lithography có ưu điểm giá thành rẻ, khả năng tái sử dụng một số công đoạn và đặc biệt có thể thiết kế và chế tạo được các thiết bị vi lưu có cấu trúc phức tạp, độ truyền dẫn quang cao, dễ dàng khớp nối với các bộ phận khác của hệ vi kênh cũng như tích hợp với các thành phần khác và có khả năng tương thích sinh học [100];
- Đối với kỹ thuật Xurography, nó không bao gồm thiết bị quang khắc và yêu cầu điều kiện phòng sạch, đây là ưu điểm lớn của kỹ thuật này. Tuy nhiên, nhược điểm chính của phương pháp này độ phân giải và độ chính xác thấp, chiều dày của các vi kênh phụ thuộc vào loại vật liệu được sử dụng.
Trong những năm gần đây, những tiến bộ trong công nghệ in 3D, đặc biệt là sự cải thiện về tốc độ và độ phân giải đã giúp đơn giản hóa quá trình chế tạo khuôn mẫu cho các thiết bị trong lĩnh vực MEMS. Ngoài ra, với những ưu điểm nổi bật so với các phương pháp chế tạo khác đề cập ở trên, đó là toàn bộ quá trình được thực hiện trên một hệ thống, hoàn toàn tự động, khả năng sử
44
dụng được nhiều loại vật liệu khác nhau và không yêu cầu môi trường phòng sạch nghiêm ngặt.
Hiện nay, có 4 công nghệ in 3D phổ biến nhất, đó là: công nghệ SLA (stereo-lithography apparatus), công nghệ SLS (Selective laser sintering), công nghệ Polyjet và công nghệ FDM (fused deposition modelling). 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…).
- Công nghệ SLA là công nghệ sử dụng chùm tia laser/UV hoặc một nguồn năng lượng mạnh tương đương để làm đông cứng các lớp 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 thường có giá thành cao, sản phẩm in 3D bị giảm độ bền khi để lâu dưới ánh sáng mặt trời [101].
- Công nghệ SLS 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 [102].
- Công nghệ in FDM 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 các bằng sáng chế chính của FDM đã hết hạn 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 [101].
45
- Công nghệ in phun 3D (3D inkjet 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 sẵn. Ưu điểm của công nghệ này là có khả năng in được nhiều vật liệu và màu sắc lên cùng một sản phẩm. Chất lượng sản phẩm tốt với bề mặt nhẵn và độ chính xác cao. Độ dày mỗi lớp in đạt 16µm, độ chính xác đạt 0.1mm, nó có thể tạo ra các thành siêu mỏng với hình dạng phức tạp [101].
Kết luận chương 1
Qua quá trình nghiên cứu phân tích các đặc tính, ưu nhược điểm của các vi bơm, bộ trộn đã được công bố, luận án có thể kết luận một số vấn đề như sau:
+ Các vi bơm được thiết kế sử dụng nhiều nguyên lý khác nhau. Tuy nhiên, để ứng dụng cho y sinh học đòi hỏi vi bơm không phát sinh nhiệt làm ảnh hưởng đến các phần tử sinh học, không được áp thế vào dung dịch có các phần tử sinh học và tránh sử dụng các nguyên lý có thể phá vỡ các cấu trúc sinh học. Vì vậy, luận án nghiên cứu đề xuất nghiên cứu vi bơm sử dụng màng bơm áp điện.
+ Các thiết bị sử dụng trong y sinh thường đỏi hỏi kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo, giá thành thấp. Việc kết hợp giữa chức năng bơm và chức năng trộn trên cùng một thiết bị sẽ giúp vi bơm có thể sử dụng trong các thiết bị Lab on a Chip và giúp giảm kích thước của thiết bị. Từ đó, luận án tiến hành nghiên cứu vi bơm có tích hợp chức năng trộn sử dụng cấu trúc vòi phun/khuếch tán kiểu mới với khả năng dễ chế tạo.
+ Luận án đề xuất phương pháp chế tạo vi bơm bằng công nghệ tạo mẫu nhanh in 3D. Đồng thời, phân tích ưu nhược điểm của các loại vật liệu, lựa chọn vật liệu phù hợp để chế tạo nguyên mẫu vi bơm.
46
CHƯƠNG 2. ĐỀ XUẤT VI BƠM TÍCH HỢP CHỨC NĂNG TRỘN SỬ