Công nghệ in 3D: Chế tạo nẹp chấn thương chỉnh hình

Từ hàng ngàn năm trước, con người đã biết dùng nẹp gỗ làm từ miếng gỗ bọc trong vải lanh để điều trị gãy xương. Đến nay, cách làm này vẫn được áp dụng, chỉ khác là vật liệu cố định chỗ chấn thương đã thay đổi theo hướng hiện đại hơn, chuyển sang bột thạch cao và nẹp bằng hợp kim nhôm có vải lót bên ngoài. Dù phổ biến song cả hai phương pháp bó bột thạch cao lẫn nẹp truyền thống vẫn còn một số hạn chế: “Việc bó bột thường gây khó khăn trong giữ gìn vệ sinh sạch sẽ và khô ráo, tính thẩm mỹ kém, khối lượng lớn, chức năng hạn chế và cản trở trong các công việc hằng ngày, lúc đeo và tháo cũng khó khăn. Tương tự với nẹp truyền thống, ngoài hạn chế về tính thẩm mỹ, khối lượng, nó cũng có thể gây khó chịu cho người dùng, đặc biệt nếu chỉnh hình không vừa vặn có thể gây ra các điểm áp lực và ma sát”, ThS. Huỳnh Hữu Nghị, Trưởng Phòng thí nghiệm CADCAM và in 3D, Khoa Cơ Khí, trường Đại học Bách khoa TP.HCM (ĐHQGTP.HCM) phân tích trong hội thảo về công nghệ in 3D do Trung tâm Thông tin và Thống kê Khoa học và Công nghệ TP.HCM (Sở KH&CN TP.HCM) tổ chức vào cuối tháng 5/2023.

Liệu có cách nào khắc phục nhược điểm của các giải pháp trên? Với kinh nghiệm nhiều năm trong lĩnh vực in 3D, ThS. Huỳnh Hữu Nghị nhận thấy chế tạo nẹp bằng công nghệ in 3D có thể là câu trả lời phù hợp. “Ưu điểm của nẹp in 3D là có thể chế tạo theo hướng cá nhân hóa, có trọng lượng nhẹ hơn, sử dụng vật liệu là nhựa nhiệt dẻo, có độ tương thích sinh học cao, an toàn cho người bệnh”, anh lý giải.

Việc chế tạo nẹp in 3D trong nước càng có nhiều ý nghĩa hơn trong bối cảnh hơn 90% trang thiết bị và vật tư y tế của Việt Nam đều phải nhập khẩu, bao gồm cả nẹp chấn thương chỉnh hình. Song song với đó, Việt Nam cũng thuộc danh sách những quốc gia có tỉ lệ mắc bệnh cơ xương khớp cao nhất thế giới. Theo thống kê của Hội Loãng xương TP.HCM vào năm 2022, có khoảng 3,6 triệu người Việt Nam đang bị loãng xương, dự báo đến năm 2030 sẽ tăng lên khoảng 4,5 triệu người. Đây là một căn bệnh thầm lặng, người bệnh thường không có triệu chứng rõ ràng, nhiều người bị gãy xương thì mới phát hiện ra bị loãng xương.

Bản chất của công nghệ in 3D là sử dụng các vật liệu để chế tạo mô hình 3D bằng phương pháp đắp chồng từng lớp vật liệu, trái ngược với công nghệ cắt gọt truyền thống trước đây. Nó cho phép các nhà thiết kế tạo ra các chi tiết phức tạp với trong thời gian ngắn và tốn ít chi phí hơn so với các phương pháp khác. Do đó, các ứng dụng của công nghệ in 3D ngày càng “phủ sóng” rộng rãi, từ lĩnh vực hàng không, vũ trụ cho đến xây dựng, kiến trúc, giáo dục, y tế, nghệ thuật và thời trang.

Trong số đó, việc sử dụng các sản phẩm hỗ trợ điều trị chấn thương chỉnh hình bằng công nghệ in 3D ngày càng phổ biến ở nhiều quốc gia trên thế giới. Mỗi loại nẹp có đặc điểm khác nhau, tùy theo mục tiêu cụ thể. “Hiện nay các loại nẹp chủ yếu thiên về hướng cố định trong quá trình điều trị, ví dụ về các loại nẹp tay đang được thương mại hóa hiện nay, chức năng chính vẫn là cố định vị trí chấn thương, hoặc hỗ trợ phục hồi chức năng, cấu trúc của hệ thống thần kinh cơ xương”, ThS. Huỳnh Hữu Nghị cho biết. Dù đi sau nhưng Việt Nam cũng đang dần bắt nhịp với xu hướng này. “Mục tiêu của chúng tôi là nội địa hóa sản phẩm nẹp in 3D, hướng đến thay thế các sản phẩm nước ngoài bằng sản phẩm trong nước”, anh nói.

Trước khi bắt tay vào chế tạo, họ đã hình dung trong đầu về chiếc nẹp in 3D dành cho thị trường Việt Nam: “Nẹp phải có cấu trúc đơn giản, tối ưu nhằm hỗ trợ điều trị vị trí tổn thương mà không giới hạn các chuyển động khác (các hoạt động cơ bản hằng ngày). Chi phí sản xuất cũng phải tối ưu để phù hợp với nhu cầu bệnh nhân. Ngoài ra, nẹp cũng khải có nhiều điểm tiếp xúc với vị trí cần được điều trị để tạo cảm giác thoải mái, đảm bảo khả năng phục hồi của bệnh nhân, đồng thời phải có các lỗ thoáng khí thích hợp, không ảnh hưởng đến độ bền của nẹp song vẫn đảm bảo thông thoáng”. Từ những phân tích trên, họ quyết định lựa chọn công nghệ FDM/FFF - một trong những phương pháp in 3D phổ biến nhất do giá thành rẻ và sử dụng các loại vật liệu thông dụng và dễ kiếm. Nguyên lý của công nghệ này là đùn sợi nhựa được gia nhiệt tới trạng thái bán lỏng qua một vòi phun và bồi đắp theo từng lớp để tạo hình sản phẩm.

Việc làm chủ công nghệ in 3D cơ bản như FDM không phải là điều khó, nhưng để xây dựng quy trình sản xuất hoàn chỉnh cho một sản phẩm như nẹp lại là câu chuyện khác. Họ phải tìm ra các thông số tối ưu cho các loại nẹp, bao gồm độ bền và độ cứng, độ nhám bề mặt, kích thước khoảng hở… “Nẹp phải ôm sát vị trí cần cố định, song cũng không được quá chặt, có thể gây tổn thương các mô mềm và ảnh hưởng đến quá trình lưu thông máu. Nẹp cũng phải có độ bền và độ cứng đủ để hoạt động hằng ngày ở mức độ nhẹ mà không bị biến dạng”, ThS. Huỳnh Hữu Nghị phân tích. Do vậy, bề mặt nẹp phải được làm nhẵn để tránh làm tổn thương vùng da dưới nẹp - độ nhám bề mặt trong và ngoài của nẹp có giá trị Rz=80 µm. Về sai số về kích thước: theo phương X, Y, sai số không quá +/- 0,5 mm và theo phương chiều dài nẹp Z không quá +/- 1 mm. Khoảng cách giữa mặt trong nẹp và bề mặt vùng chấn thương của bệnh nhân từ 2-3 mm, bù trừ cho việc sưng cơ.

Kết quả nhóm nghiên cứu thu được là hai quy trình cung cấp nẹp chấn thương chỉnh hình, một quy trình theo hướng cá nhân hóa, thứ hai là theo hướng dùng chung. Với quy trình thứ nhất, bệnh nhân sẽ được thiết kế nẹp riêng theo các bước: Dữ liệu quét 3D vị trí cần thiết kế - Đánh dấu vị trí thiết kế nẹp - Xây dựng hình dáng của nẹp - Tạo khoảng hở - Tạo lỗ thông khí - Phân chia, tạo bộ phận liên kết và tạo bộ phận điều chỉnh - Bo tròn các góc cạnh - Kiểm tra các tiêu chí thiết kế (không đạt quay lại bước đánh dấu vị trí thiết kế nẹp) - Xuất tệp thiết kế hoàn chỉnh. Nếu dùng nẹp chung, bệnh nhân sẽ dùng nẹp chế tạo sẵn theo kích cỡ tiêu chuẩn, nếu chưa phù hợp thì sẽ được bổ sung vào cơ sở dữ liệu để thiết kế nẹp, vừa cung cấp cho bệnh nhân, vừa chế tạo sẵn để dự trữ cho các trường hợp khác.

Thoạt nhìn những chiếc nẹp có màu sắc tươi sáng, kiểu dáng thời trang do ThS. Huỳnh Hữu Nghị và các cộng sự chế tạo bằng công nghệ in 3D, nhiều người có thể tưởng đó là các phụ kiện thời trang chứ không phải là nẹp chấn thương chỉnh hình. Hiện nay, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công nẹp ngón tay (chế tạo sẵn và cá nhân hóa), nẹp cánh tay (chế tạo sẵn và cá nhân hóa), nẹp cổ chân (cá nhân hóa) và nẹp tay (cá nhân hóa). Họ cũng đề xuất các tiêu chí đánh giá thiết kế sản phẩm nẹp, bao gồm thiết kế tránh dị hướng; thiết kế để giảm thiểu thời gian chế tạo; thiết kế để tối ưu hóa quá trình hậu xử lý; tận dụng sự phức tạp của thiết kế và khả năng công nghệ; ưu tiên cấu trúc của chi tiết hơn vật liệu; sử dụng tối ưu hóa cấu trúc liên kết hoặc cấu trúc mạng. Mục tiêu cuối cùng là tiết kiệm thời gian và chi phí sản xuất, đảm bảo chất lượng, độ bền và tính thẩm mỹ cho sản phẩm.

Dụng cụ thay thế và chỉnh hình là một thị trường đầy tiềm năng, dự đoán đến năm 2026 sẽ đạt hơn 8 tỷ USD. Việc khai thác địa hạt màu mỡ này bằng những sản phẩm nẹp chấn thương chỉnh hình in 3D của Việt Nam liệu có khả thi? Có lẽ, nhưng trước mắt, các nhóm dấn thân trên con đường này như ThS. Huỳnh Hữu Nghị và các cộng sự phải giải quyết những bài toán về nâng cao chất lượng cho nẹp in 3D. “Hiện nay, có một vài tiêu chí chúng tôi chưa đạt được là khả năng điều chỉnh, khóa liên kết và tính đẳng hướng - một yếu tố quan trọng giúp tối ưu hóa độ bền sản phẩm. Đây là những vấn đề nghiên cứu mà chúng tôi rất quan tâm và mong muốn sớm hoàn thiện để đưa ra sản phẩm ứng dụng”.