Ứng dụng của Lưu biến kế đa năng Discovery Hybrid Rheometer DHR-3 dành cho công nghệ in 3D và in 4D

In 3D là quá trình sử dụng bản thiết kế được lập trình bởi máy tính để in các vật liệu theo từng tầng để tạo nên các khối lập thể. Tương tự như vậy, in 4D cũng tạo nên vật thể 3D bằng cách đắp các vật liệu thành từng tầng dưới sự trợ giúp của máy tính. Tuy nhiên, in 4D thêm 1 chiều là biến đổi theo thời gian, tức là sản phẩm được in có khả năng phản ứng với các điều kiện trong môi trường (ví dụ như nhiệt độ, độ ẩm, pH, nồng độ ion, …) và thay đổi hình dạng theo điều kiện tương ứng. Bước vào cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, các kỹ thuật in này được xem là những thành phần điển hình bên cạnh những trí tuệ nhân tạo, xe tự lái, công nghệ nano, Internet vạn vật, điện toán đám mây… Không chỉ tạo nên những đột phá trong vận hành sản xuât và chế tạo, in 3D và in 4D còn tỏa sáng trong lĩnh vực y sinh. Dưới đây là 3 công trình nghiên cứu đột phá trong lĩnh vực này được đăng trên các tạp chí hàng đầu của Nature Research (Nature Publishing Group).

Đầu tiên là nghiên cứu ở Đại học Havard (Hoa Kỳ) về “Chiến lược tích hợp thiết kế và chế tạo robot tự động mềm hoàn toàn” được đăng trên tạp chí Nature tháng 8 năm 2016. Họ đã thành công trong việc chế tạo chú robot tự động đầu tiên được cấu tạo toàn bộ bởi các vật liệu mềm. Chú robot – biệt danh là “octobot” bởi hình dạng có 8 chân như bạch tuộc– được chế tạo bởi công nghệ in 3D và sử dụng năng lượng từ phản ứng hóa học được được điều tiết bởi mạch vi lỏng (microfluidic) chứ không sử dụng thành phần điện tử (bởi lẽ bo mạch điện tử và pin đều yêu cầu sử dụng vật liệu cứng rắn). Tiến sĩ Michael Wehner, đồng tác giả chính của bài báo, cho hay: “Nguồn năng lượng của robot trước kia luôn luôn bao gồm thành phần vật liệu cứng rắn. Điều tuyệt vời là chúng ta đã có thể sử dụng phản ứng của hydrogen peroxide với xúc tác là platium để thay thế cho nguồn năng lượng.” Robot mềm sở hữu những đặc tính mà robot làm từ những vật liệu cứng rắn thông thường gần như không thể có được, đặc biệt là về khả năng tương tác và thích ứng với điều kiện môi trường. Tiến sĩ Ryan Truby, đồng tác giả chính còn lại, nói thêm: “Đây là một minh chứng cho khái niệm (proof-of-concept) rằng chúng ta có thể tạo ra những robot mềm tự động để thúc đẩy những nhà nghiên cứu về robot học, vật liệu học, và toàn bộ giới khoa học tập trung nghiên cứu vào công nghệ sản xuất tiên tiến.”

Nghiên cứu thứ hai là về “kỹ thuật in 4D cấu trúc sinh học” của đại học Havard (Hoa Kỳ) được đăng trên tạp chí Nature Materials tháng 1 năm 2016. Lấy cảm hứng từ những cấu trúc trong tự nhiên, chẳng hạn như thực vật, có khả năng đáp ứng và thay đổi hình dạng tùy theo kích thích của môi trường, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công cấu trúc được in bởi kỹ thuật in 4D có khả năng thay đổi hình dạng khi được nhúng vào nước. Hình dạng được in là hoa lan, được in từ loại mực hydrogel có chứa cellulose fibril cho phép bông hoa có khả năng co duỗi tạo nên những hình dạng khác nhau. Tiến sĩ Sydney Gladman, đồng tác giả chính của bài báo giải thích: “Chỉ cần 1 bước tạo hỗn hợp mực in, chúng ta có thể tạo ra loại hydrogel có khả năng thay đổi tạo ra các hình dạng phức tạp khác nhau bằng cách thay đổi đường in. Hơn thế nữa, chúng ta cũng có thể thay đổi thành phần trong hỗn hợp mực in để điều chỉnh các đặc tính của vật thể như độ dẫn điện hay khả năng tương thích sinh học.” Phương pháp này hoàn toàn có thể ứng dụng cho những cấu trúc cho mô sinh học, thiết bị y tế, robot mềm và các ứng dụng công nghiệp.

Nghiên cứu thứ 3 với tiêu đề là “Hình thành mạch máu và hoàn thiện cơ quan thận in vitro” cũng của đại học Havard (Hoa Kỳ) được đăng trên tạp chí Nature Methods tháng 2 năm 2019. Nghiên cứu này sử dụng kỹ thuật in 3D để in chip vi dịch cho phép nuôi cơ quan thận in vitro. Kết quả là họ đã tìm ra đúng tổ hợp của thành phần ma trận ngoại bào, môi trường nuôi tế bào và áp lực của dòng chảy có tác dụng kích thích các tế bào hình thành nên mạch máu nuôi dưỡng và phát triển nên cơ quan thận. Với việc nuôi thận in vitro, các nhà nghiên cứu có thể tạo mô hình bệnh, thử nghiệm thuốc cũng như hướng đến công nghệ tái tạo mô thay thế cho người bệnh..

Điểm chung của những công trình trên là họ đều sử dụng Lưu biến kế đa năng Discovery Hybrid Rheometer DHR-3 của TA Instruments để đánh giá đặc tính lưu biến của mực in. Đặc tính lưu biến của mực in quyết định đến áp suất và tốc độ khi in, qua đó ảnh hưởng đến độ nét cũng như hình dạng sau cùng của sản phẩm in. Do đó, việc kiểm tra đặc tính lưu biến của mực in là bước căn bản, vô cùng quan trọng đối với những nghiên cứu này. Lưu biến kế đa năng DHR-3 là thành tựu đột phá của TA Instruments trong công nghệ đo lường lưu biến khi được tính hợp rất nhiều sáng chế độc quyền như Động cơ kéo tiên tiến, Bộ đọc tín hiệu quang học kép, Cảm biến tái cân bằng lực, Trục nâng từ tính thế hệ hai, Cảm biến vị trí thực. DHR-3 mang tất cả những tính năng mạnh nhất trong công nghệ đo lường lưu biến với khả năng linh hoạt đưa ra kết quả chính xác với độ nhạy và độ tái lặp tốt nhất. Do đó, các nhà nghiên cứu hàng đầu thế giới đều tìn dùng DHR-3 cho những thí nghiệm của mình.

Vũ Sỹ