Thầy giáo Bách khoa phát triển lớp phủ vật liệu tăng độ cứng và chống ăn mòn cho dụng cụ phẫu thuật

Dụng cụ phẫu thuật (dao, kéo, nhíp, panh, kẹp,…) cần có độ cứng vững và khả năng chống ăn mòn tốt. Mới đây, nhóm nghiên cứu của PGS. Trịnh Văn Trung – Giảng viên Viện Khoa học & Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – đã nghiên cứu ứng dụng công nghệ PVD bốc bay hồ quang plasma để tạo các lớp phủ vật liệu hệ nitrit như TiN và ZrN nhằm nâng cao độ cứng bề mặt và khả năng chống ăn mòn cho dụng cụ phẫu thuật đồng thời cũng có thể giúp các dụng cụ “lạnh lẽo” trong phòng mổ có “màu áo” thẩm mỹ hơn!

Ứng dụng công nghệ xử lý bề mặt tiên tiến

Dụng cụ phẫu thuật thường được chế tạo từ các loại vật liệu kim loại hay hợp kim như thép không gỉ hoặc hợp kim titan,... có thể kết hợp thêm với các công nghệ xử lý bề mặt như mạ hoặc phủ. 

PGS. Trịnh Văn Trung cho biết khi chế tạo các dụng cụ phẫu thuật do đặc thù lúc sử dụng thì dụng cụ tiếp xúc với cơ thể và đặc biệt là dịch thể của cơ thể sống nên các dụng cụ này ngoài yêu cầu cần có độ cứng vững và nhẵn bóng nhất định còn cần khả năng chống ăn mòn tốt.

Do đó, ngoài việc lựa chọn vật liệu và công nghệ gia công cơ khí thích hợp còn cần áp dụng các công nghệ nhiệt luyện hoặc xử lý bề mặt để nâng độ cứng vững hoặc khả năng chống ăn mòn. Vật liệu phổ biến dùng để chế tạo các dụng cụ phẫu thuật thường là thép không gỉ mactenxit (là loại thép không gỉ có thể hóa bền được bằng công nghệ nhiệt luyện).

Các công nghệ nhiệt luyện truyền thống như tôi và ram cho thép không gỉ mactenxit có thể điều chỉnh tổ chức và nâng cao độ cứng nhưng cũng có thể ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ nên cần có các nghiên cứu chuyên sâu thêm. 

Ngoài ra, gần đây các dụng cụ này còn được áp dụng các công nghệ xử lý bề mặt như mạ/phủ để tạo ra trên bề mặt dụng cụ các lớp phủ như TiN hay ZrN nhằm nâng cao độ cứng bề mặt, khả năng chống mài mòn (chống xước), khả năng chống ăn mòn và tính thẩm mỹ.

PGS. Trịnh Văn Trung hướng dẫn sinh viên nghiên cứu

PGS. Trung đã nghĩ đến việc áp dụng công nghệ xử lý bề mặt bằng phương pháp bốc bay thể hơi vật lý PVD (Physical Vapor Deposition) dùng dòng hồ quang điện tạo plasma bốc bay các vật liệu như Ti và Zr trong môi trường khí N2 chế tạo màng phủ đơn/đa lớp TiN và/hoặc ZrN trên bề mặt chi tiết thép không gỉ mactenxit AISI420 đạt độ cứng cao và khả năng chống ăn mòn tốt.

Công nghệ PVD được biết đến là công nghệ xử lý bề mặt tiên tiến, an toàn và thân thiện với môi trường, có thể chế tạo các màng phủ hệ nitrit; có độ cứng cao, khả năng chống mài mòn/chống xước lớn và hệ số ma sát nhỏ nên thường được ứng dụng phủ bảo vệ chống mài mòn và nâng cao tuổi thọ cho các dụng cụ cắt hoặc bề mặt khuôn mẫu trong lĩnh vực cơ khí chế tạo. Tuổi thọ của chi tiết sau khi được sử dụng công nghệ phủ lớp PVD thường cao gấp 2-3 lần so với khi không phủ. Đặc biệt trong một số trường hợp tuổi thọ có thể gấp chục lần khi áp dụng các lớp phủ PVD có cấu trúc nano hoặc vật liệu cacbon “giống” kim cương DLC (Diamond Like Carbon). 

Ngoài việc có khả năng chống xước cao thì màu sắc của các lớp phủ này cũng rất đa dạng phụ thuộc vào bản chất vật liệu và cấu trúc lớp phủ nên cũng có thể ứng dụng nhiều trong lĩnh vực phủ trang trí. Bên cạnh đó, nhờ khả năng chống ăn mòn cao và một số hệ lớp phủ có tính “tương thích sinh học” tốt nên cũng đã được nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực cấy ghép y sinh.

Một điều đặc biệt, trong quá trình nghiên cứu áp dụng công nghệ phủ PVD hồ quang plasma đã phủ được các màng TiN hoặc ZrN trên nền thép không gỉ mactenxit AISI420, PGS. Trung nhận thấy mặc dù lớp phủ đạt độ cứng bề mặt cao có thể lên tới trên 2000 HV nhưng độ bám dính chưa được tốt nếu phủ trực tiếp trên bề mặt thép chỉ được nhiệt luyện. Anh tiếp tục suy nghĩ lời giải cho bài toán này.

Một số lĩnh vực ứng dụng của công nghệ phủ PVD

Quá trình nghiên cứu cho thấy, một trong những nguyên nhân của độ bám dính chưa tốt là do chênh lệch độ cứng/ứng suất quá lớn giữa lớp phủ (> 2000 HV) và bề mặt thép (< 700 HV). Thầy giáo Bách khoa đã nghĩ đến việc áp dụng công nghệ xử lý “kép” bằng cách sử dụng thêm công nghệ hóa nhiệt luyện (một trong các công nghệ xử lý bề mặt truyền thống) là thấm nitơ cho bề mặt thép rồi mới áp dụng công nghệ xử lý bề mặt tiên tiến là phủ PVD thì độ bám dính đã được cải thiện rất tốt (ở mức cao nhất theo tiêu chuẩn đánh giá bám dính VDI3198 của Đức) do lớp thấm nitơ trên bề mặt thép (với độ cứng bề mặt lớp thấm ~ 1200 HV) đóng vai trò một lớp đệm để giảm sự chênh lệch ứng suất từ lớp phủ vào bên trong lõi thép. 

Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy lớp xử lý bề mặt kép cũng đã nâng cao đáng kể khả năng chống ăn mòn cho thép. Bằng cách áp dụng kết hợp các công nghệ xử lý bề mặt với nhau đã nâng cao đáng kể chất lượng bề mặt, có nhiều tiềm năng ứng dụng cho không chỉ các dụng cụ trong lĩnh vực y sinh mà còn có thể mở rộng cho các dụng cụ cắt, dụng cụ khuôn mẫu trong lĩnh vực cơ khí chế tạo cũng như trong lĩnh vực trang trí và dân dụng khác.

PGS. Trịnh VănTrung đã phủ thử nghiệm thành công lớp phủ TiN lên bộ dụng cụ tiểu phẫu thực tế cho kết quả khả quan với chất lượng bề mặt đồng đều. Kết quả nghiên cứu đã đăng được 1 bài báo ISI + 1 bài báo trên tạp chí trong nước, được Hội đồng Nghiệm thu dự án tài trợ nghiên cứu SAHEP (Dự án nâng cao chất lượng giáo dục đại học do WB tài trợ) – đánh giá xuất sắc. 

PGS. Trịnh Văn Trung (giữa) và sinh viên trong phòng thí nghiệm

SAHEP giúp các nhà khoa học Bách khoa đỡ phải “chạy khắp nơi” phân tích, đo kiểm,…

PGS. Trịnh Văn Trung là cựu sinh viên ngành Vật lý Kỹ thuật, cựu học viên cao học của Viện ITIMS, Đại học Bách khoa Hà Nội. Đam mê nghiên cứu vật liệu và có duyên với ngành vật liệu, với ngôi trường dành cả thanh xuân để theo học, sau khi bảo vệ thành công luận án tiến sĩ tại Hàn Quốc, năm 2012, anh trở về Bách khoa Hà Nội, tham gia giảng dạy ở bộ môn Vật liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt tại Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu. 

Biết anh có trải nghiệm nghiên cứu cả ở môi trường nước ngoài và Việt Nam, hỏi PGS. Trung: Khi anh nghiên cứu chế tạo lớp phủ TiN và ZrN bằng công nghệ PVD trên nền thép không gỉ ứng dụng cho dụng cụ phẫu thuật, anh có gặp khó khăn về trang thiết bị, cơ sở vật chất không?

PGS. TS. Trung vui vẻ chia sẻ: Trong nghiên cứu khoa học và đặc biệt khi liên quan đến việc phải thí nghiệm và thực nghiệm trong bối cảnh cạnh tranh trên thế giới về khoa học và công nghệ trình độ cao, ngoài tri thức và niềm đam mê thì điều kiện cơ sở vật chất là vô cùng quan trọng. Khó khăn khi nghiên cứu về vật liệu nói chung và đề tài này nói riêng là cần có trang thiết bị chế tạo, gia công, xử lý…hiện đại và đặc biệt là các trang thiết bị phân tích và đo kiểm luôn “sẵn sàng” để có thể chủ động và đẩy nhanh tiến độ nghiên cứu.

Rất may dự án SAHEP - Dự án nâng cao chất lượng giáo dục đại học của Ngân hàng Thế giới - đã hỗ trợ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đầu tư cho các đơn vị nhiều trang thiết bị trong đó có nhiều thiết bị đo kiểm, phân tích trong lĩnh vực vật liệu nên hỗ trợ công tác nghiên cứu của các các nhà nghiên cứu trong trường rất nhiều. 

Anh Trung nhớ mãi thời điểm năm 2015, khi bắt đầu có thông tin về chủ trương liên quan đến dự án SAHEP tại Đại học Bách khoa Hà Nội, các cán bộ, giảng viên như anh lúc đó phấn khởi vô cùng. “Khi có chủ trương của Nhà trường, các thầy cô Viện tôi “lăn xả” để hoàn thành các đề xuất và xây dựng đề án với kỳ vọng được đầu tư các trang thiết bị để hỗ trợ nghiên cứu. Tôi tham gia ngay từ đầu, nhiều khi cần tiến độ nên nửa đêm các nhà cung cấp bên Mỹ (giờ đó họ đang làm việc) cũng liên lạc để hỏi thông tin về dự án và báo giá máy móc, thiết bị.” – Anh Trung kể. 

Năm 2019-2020, các thiết bị hỗ trợ nghiên cứu do SAHEP tài trợ lần lượt "cập bến" Đại học Bách khoa Hà Nội

Và đến năm 2019-2020 sau nhiều nỗ lực, quyết tâm của lãnh đạo nhà trường và các thầy cô ở các đơn vị thụ hưởng, Dự án SAHEP đã triển khai tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, các trang thiết bị hỗ trợ nghiên cứu lần lượt “cập bến”. Ngay lập tức, nhiều cán bộ, giảng viên Bách khoa ở các đơn vị thụ hưởng đã đăng ký đề tài nghiên cứu, sử dụng trang thiết bị và kinh phí tài trợ từ dự án SAHEP, cho ra những kết quả nghiên cứu đột phá, thiết thực với cuộc sống. 

Là “người trong cuộc” thụ hưởng các lợi ích của SAHEP mang lại, PGS. Trịnh Văn Trung rất hào hứng kể một loạt những “cái được” khi nghiên cứu đề tài mà có đầy đủ các trang thiết bị. Trước khi có SAHEP, để đo kiểm, anh phải “chạy” khắp nơi, sang các Viện nghiên cứu của Bộ KH&CN, Bộ Công - Thương, Bộ Quốc phòng hay Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam hoặc thậm chí gửi ra nước ngoài để nhờ/làm dịch vụ phân tích đo kiểm.

“Nếu như thời điểm trước khi có SAHEP, nhiều đề tài phải mất nhiều thời gian mới hoàn thành, tốn kém kinh phí và bị động rất nhiều trong nghiên cứu. Kết quả số liệu bị chậm, lâu lâu lại sinh tâm lý, có khi nản rồi bỏ bẵng. Chưa kể trong khoa học, việc công bố kết quả nghiên cứu trước hoặc sau cũng ảnh hưởng một phần tới tính mới của nghiên cứu. Nhà nghiên cứu cũng đỡ vất vả với việc làm hóa đơn, chứng từ, mất nhiều thời gian và công sức hơn vào những việc không liên quan đến chuyên môn nếu phải thực hiện phân tích ở ngoài. Sinh viên cũng có nhiều thiết bị để thí nghiệm và thực hành hơn.” – Anh Trung cho biết.

Hiện tại, anh Trung triển khai phần lớn các thí nghiệm, phân tích của đề tài ngay tại Bách khoa Hà Nội, có kết quả phân tích trong thời gian ngắn hơn, chủ động trong điều chỉnh hướng thực nghiệm. Các sinh viên có nhiều cơ hội được thí nghiệm và thực hành với các trang thiết bị hiện đại. Nếu pha 2 dự án SAHEP triển khai đúng tiến độ với thêm nhiều trang thiết bị tổng hợp và thiết bị phân tích hiện đại đến Bách khoa vào cuối 2022, quy trình của các nghiên cứu hứa hẹn sẽ đồng bộ và “khép kín” hơn từ khâu tổng hợp, chuẩn bị, thí nghiệm và phân tích,… Anh Trung đang nung nấu nhiều ý tưởng nghiên cứu để “đón đầu” các trang thiết bị mới chuẩn bị về. 

PGS. Trịnh Văn Trung đang được Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu giao phụ trách phòng thí nghiệm Vật liệu đại cương. Anh và các đồng nghiệp đã xây dựng quy chế liên quan đến quản lý trang thiết bị được SAHEP đầu tư, phân công 1-2 thầy/cô phụ trách một thiết bị để có thể đảm bảo chất lượng và tuổi thọ máy móc. Khi các thầy/cô trong Viện có nhu cầu sử dụng thì liên hệ thầy/cô phụ trách, nếu không biết sử dụng sẽ được hướng dẫn cụ thể.

Bên cạnh niềm vui được nghiên cứu chủ động ngay tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, anh Trung cũng rất tâm huyết với việc bảo quản và sử dụng các trang thiết bị SAHEP hỗ trợ nghiên cứu làm sao cho hiệu quả nhất.

Gia Hân. Ảnh: NVCC