Nội dung chính

Trong quy trình tiêm tinh trùng vào bào tương noãn (Intracytoplasmic Sperm Injection – ICSI) hoặc trữ đông noãn, tách tế bào hạt quanh cụm phức hợp noãn-cumulus (Cumulus-Oocyte Complex - COC) là bước bắt buộc nhằm làm sạch lớp tế bào hạt bao quanh [1,2]. Việc loại bỏ lớp tế bào này giúp đánh giá độ trưởng thành noãn qua sự hiện diện của thể cực thứ nhất, xác định vị trí thoi phân bào và định vị trí tiêm tinh trùng chính xác vào bào tương noãn [1,2].

            Quy trình tách noãn tiêu chuẩn hiện nay kết hợp xử lý hóa học bằng enzyme hyaluronidase và lực tách cơ học bằng pipette [2,3]. Tuy nhiên, phương pháp thủ công phổ biến này vẫn có nhiều hạn chế [2,4]. Về mặt hóa học, tiếp xúc hyaluronidase kéo dài có thể làm giảm sức sống noãn, mỏng màng ZP (Zona Pellucida), dãn khoang quanh noãn PVS (Perivitelline Space) và giảm tỷ lệ phát triển phôi nang [1,2,4].Về mặt cơ học, thao tác hút nhả qua pipette hẹp tạo stress trượt vách (wall shear stress) lên tới 392,0 Pa ở lưu lượng 1 mL/phút [3], giá trị này vốn vượt xa ngưỡng chịu đựng sinh lý 0,12 Pa dễ gây nứt màng ZP, biến dạng màng noãn, lệch thể cực hoặc đứt gãy thoi phân bào [1-3]. Bên cạnh đó, thao tác thủ công yêu cầu thời gian đào tạo và tạo sự chênh lệch kết quả giữa các chuyên viên phôi học [3-5].

            Để khắc phục các hạn chế trên, công nghệ vi lưu cơ học (Mechanical Microfluidics - MM) được nghiên cứu và phát triển như một giải pháp tự động hóa thay thế thao tác tách noãn thủ công [2,4]. Dựa trên nguyên lý điều hướng chất lỏng qua các vi kênh có cấu trúc hình học đặc biệt, công nghệ MM tạo lực trượt cơ học được kiểm soát chính xác giúp loại bỏ tế bào hạt mà vẫn đảm bảo an toàn cho cấu trúc vi thể của noãn [2-4]. Bài viết này nhằm tổng hợp và phân tích các cơ chế thủy động lực học, đặc điểm thiết kế vi kênh và các dữ liệu lâm sàng thực chứng của công nghệ MM trong quy trình tách noãn.

1. Chip PDMS

            Thiết bị MM do Weng và cs. (2018) phát triển dựa trên nguyên lý xé cơ học liên tục thông qua chuỗi vi kênh thu hẹp và mở rộng tuần hoàn gọi tên là chip PDMS (polydimethylsiloxane) [3]. Thiết bị được chế tạo bằng kỹ thuật quang khắc mềm (Soft Lithography) trên chất liệu polydimethylsiloxane (PDMS) kết hợp đế thủy tinh, tạo ra vi kênh có chiều cao cố định 275 µm [3]. Cấu trúc dòng chảy bao gồm ba phân đoạn nối tiếp:

  • Phân đoạn 1: Gồm 25 đơn vị thu hẹp mặt phẳng nhẵn với chiều rộng W1 = 240 µm
  • Phân đoạn 2: Gồm 25 đơn vị thu hẹp mặt phẳng nhẵn với chiều rộng W2 = 140 µm
  • Phân đoạn 3: Gồm 100 đơn vị thu hẹp nhất với chiều rộng W3 = 90 µm, bề mặt tích hợp các cấu trúc vi răng cưa nghiêng một góc θ = 141º ngược chiều dòng chảy (Hình 1) [3].

Hình 1: Sơ đồ cấu trúc vi kênh PDMS 3 phân đoạn thu hẹp kết hợp 100 vi răng cưa nghiêng 141º và các vùng mở rộng tạo hiệu ứng xoay lật noãn [3].

            Cơ chế tách của PDMS dựa trên sự phối hợp giữa lực xé trượt dòng chảy và tác động cạo bề mặt. Khi COC đã qua xử lý sơ bộ với hyaluronidase nồng độ 0,3 mg/mL được bơm qua vi kênh ở tốc độ dòng 1 mL/phút, hai phân đoạn đầu tiên có nhiệm vụ phân tách các khối tế bào hạt lớn bên ngoài. Khi đi vào phân đoạn thứ 3, các vi răng cưa nghiêng 141º đóng vai trò như các điểm tì cơ học, tạo ra tác động cạo trực tiếp lên lớp tế bào corona nằm sát màng ZP (Hình 1). Giữa các vi kênh thu hẹp (dài 640 µm) là các vi kênh mở rộng có chiều rộng 500 µm và chiều dài 500 µm (Hình 1). Sự chuyển tiếp đột ngột về tiết diện ngang tạo ra các vùng xoáy cuộn thủy động lực học, buộc noãn phải xoay lật liên tục giúp toàn bộ bề mặt noãn tiếp xúc đồng đều với các vách răng cưa thay vì chỉ chịu tác động đơn diện (Hình 1) [3].

            Phân tích bằng mô phỏng động lực học dòng chảy máy tính (Computational Fluid Dynamics - CFD) trên phần mềm ANSYS Fluent cho thấy stress trượt vách tối đa (Τmax) xuất hiện tại cặp răng cưa đầu tiên của phân đoạn 3 đạt mức 163,5 Pa ở tốc độ 1 mL/phút [3]. Ngược lại, đối với thao tác tách noãn bằng pipette thủy tinh với đường kính trong 125 µm, Τmax tại đầu ống lên tới 392,0 Pa ở cùng lưu lượng. Nhờ khả năng duy trì lưu lượng bơm tĩnh cố định, thiết bị PDMS giúp kiểm soát áp lực đều đặn hơn so với các chu kỳ hút nhả khi tách bằng tay. Do đó, hạ thấp Τmax khoảng 228,5 Pa so với phương pháp tách thủ công từ đó giảm thiểu đáng kể nguy cơ biến dạng cơ học lên màng ZP noãn [3].

2. Chip PMMA

            Với mục tiêu tách noãn không sử dụng enzyme hyaluronidase, nhóm tác giả Dessouky và cs. (2025) đã thiết kế chip PMMA (Polymethyl methacrylate) [4]. Bên cạnh đó, để giảm chi phí và đơn giản hóa quy trình sản xuất vốn phức tạp của chất liệu PDMS, chip PMMA được chế tạo bằng kỹ thuật khắc trực tiếp bằng máy laser CO2 trên bề mặt tấm nhựa Polymethyl methacrylate (PMMA) dày 2 mm. Cấu trúc lớp dưới được khắc các vi kênh và hàn nhiệt với lớp trần ở nhiệt độ 150°C dưới lực nén 2N tạo nên thiết bị hoàn chỉnh có chi phí sản xuất dưới 1 USD/chip [4].

            Cấu trúc vi kênh PMMA được tối ưu hóa theo mô hình kết hợp giữa 3 cụm vi răng cưa (mỗi cụm chứa 50 răng) và 2 vùng mở rộng hình tròn có chiều dài 0,98 mm và chiều rộng 0,50 mm, chiều dài tổng cộng của kênh đạt 62,76 mm với độ sâu 0,1 mm (Hình 2) [4]. Nghiên cứu đã tiến hành khảo sát toàn diện sự ảnh hưởng của góc nghiêng răng cưa θ (90º, 120º, 140º, 150º) trên mô hình noãn gia súc [4].

Hình 2: Cấu trúc vi kênh PMMA khắc laser CO2 tích hợp 3 cụm vi răng cưa góc nghiêng 140º và các vùng mở rộng hình tròn phục vụ bóc tách noãn không dùng hyaluronidase [4].

            Kết quả mô phỏng thủy động lực học xác định rằng góc nghiêng θ = 140º tạo ra Τmax cao nhất tại vị trí tiếp xúc đầu tiên của cặp răng cưa (312,66 Pa ở tốc độ dòng 1 mL/phút) so với 280,20 Pa (góc θ = 90º), 265,49 Pa (góc θ = 120º) và 293,83 Pa (góc θ = 150º) [4]. Giá trị Τmax 312,66 Pa đủ lớn để phá vỡ các liên kết vật lý tự nhiên của khối tế bào hạt mà không cần sự hỗ trợ phân giải hóa học từ hyaluronidase [4]. Đồng thời, các vùng cấu trúc mở rộng hình tròn đóng vai trò tạo hiệu ứng quay đảo chiều chuyển động của tế bào giúp các cụm tế bào hạt chưa bóc hết tiếp tục đưa vào vị trí tiếp xúc thích hợp ở các cụm răng cưa tiếp theo tách [4]. Thực nghiệm cho thấy thiết kế góc θ = 140º đạt hiệu suất tách 96,7% và tỷ lệ thu hồi noãn 90,0% ở tốc độ dòng 1 mL/phút, kết quả này cho thấy tính khả thi của việc không sử dụng hyaluronidase trong quy trình tách noãn (Hình 2) [4].

3. Chip AMOD

            Hệ thống AMOD (Automated Microfluidic Oocyte Denudation) do Phuc và cs. (2026) nghiên cứu là một thiết bị MM khép kín, tự động hóa hoàn toàn tách noãn và phân loại rác tế bào [2]. Thay vì thu hẹp chiều rộng hai bên vách các kênh, điểm độc đáo của chip AMOD là hạ độ cao trần các kênh theo các bậc thang thấp dần: từ 300 µm xuống 220 µm, 160 µm, 120 µm và cuối cùng dừng ở khe hẹp 40 µm (Hình 3) [2].

Nguyên lý hoạt động của hệ thống:

  • Cơ chế vuốt xé theo bậc thang: Khi cụm COC trôi qua các đoạn trần thấp dần, lực trượt của dòng chảy sẽ tăng lên một cách từ từ. Việc tăng lực đều đặn này giúp tách sạch lớp tế bào hạt xung quanh mà không làm noãn bị sốc lực đột ngột như thao tác tách thủ công [2].
  • Vi rãnh tự động giữ và xếp hàng noãn: Tại điểm cuối kênh có khe hẹp 40 µm (nhỏ hơn đường kính noãn nên noãn dừng lại, còn các tế bào hạt nhỏ hơn thì trôi qua). Khe này chứa 19 rãnh hình bán nguyệt giúp bẫy giữ tự động đến 10 noãn cùng lúc. Khi một noãn đã nằm gọn vào một rãnh, dòng chảy sẽ tự động điều hướng noãn tiếp theo sang rãnh bên cạnh, tránh hiện tượng các noãn bị va chạm hay đè nén lên nhau [2].
  • Van trượt giúp thu hồi noãn sạch tế bào hạt: Phía sau kênh được gắn một van trượt có 3 cổng xả riêng biệt. Ban đầu, van sẽ mở cổng 1 và cổng 2 để xả bỏ hyaluronidase và tế bào hạt ra ngoài. Sau khi noãn đã sạch hoàn toàn, van mới chuyển sang cổng 3 để thu hồi noãn sạch giúp noãn không bị dính lại rác tế bào (Hình 3) [2].

            Mô phỏng thủy động lực học xác nhận rằng lực xé tối đa tại khe hẹp 40 µm chỉ đạt 0,044 Pa, thấp hơn đáng kể so với ngưỡng an toàn cho phép của tế bào là 0,12 Pa. Đặc biệt, sau khi dùng xong, chip AMOD chỉ cần rửa sạch và sấy khô là có thể tái sử dụng lên đến 50 lần giúp tiết kiệm đáng kể chi phí cho các labo IVF [2].

 

Hình 3: Cấu trúc chip AMOD với vi kênh trần giật cấp 4 nấc (300 µm đến 40 µm), 19 vi rãnh bẫy giữ noãn tự động và cơ chế van trượt phân loại rác tế bào [2].

Đến nay, đã có nhiều nghiên cứu thực nghiệm trên động vật và cả nghiên cứu lâm sàng chứng minh tính hiệu quả và độ an toàn của các loại chip tách noãn MM.

            Trong phương pháp tách noãn thủ công, noãn có nguy cơ bị thất thoát do dính vào vách pipette thủy tinh hoặc vỡ màng trong quá trình hút nhả liên tục khiến tỷ lệ thu hồi chỉ đạt mức 86,9% [3]. Trong khi đó, chip PDMS của Weng và cs. (2018) nâng tỷ lệ thu hồi lên 98,9% [3], còn hệ thống AMOD của Phuc và cs. (2026) đạt tỷ lệ thu hồi tuyệt đối 100% nhờ thiết kế rãnh bẫy giữ thụ động giúp loại bỏ hoàn toàn nguy cơ thất thoát giao tử [2]. Xét về hiệu suất tách tế bào hạt, trong khi thao tác thủ công chỉ làm sạch hoàn toàn 81,2% số noãn, các chip đạt tỷ lệ tách sạch noãn từ 93,7 - 98,25% [2-4].

            Về kết quả phôi học, các noãn tách bằng MM thể hiện tỷ lệ thụ tinh và tỷ lệ phôi nang cao hơn đáng kể phương pháp tách thủ công. Nghiên cứu của Weng và cs. (2018) ghi nhận tỷ lệ thụ tinh qua ICSI đạt 95,9% ở nhóm PDMS so với 83,3% ở nhóm đối chứng tách thủ công, đồng thời tỷ lệ phôi nang tăng từ 66,7% lên 75,5% [3]. Một kết quả đáng lưu ý khác được ghi nhận khi sử dụng chip PMMA không dùng enzyme của Dessouky và cs. (2025) đạt tỷ lệ thụ tinh IVF 75,34% và tỷ lệ phôi nang 94,85% [4]. Kết quả này chứng minh rằng việc loại bỏ hyaluronidase khỏi bước tách noãn có thể cải thiện tiềm năng phát triển của phôi. Trong nghiên cứu của Phuc và cs. (2026), tỷ lệ tạo phôi nang từ noãn xử lý bằng hệ thống AMOD đạt 75,9% cao hơn có ý nghĩa thống kê so với 60,8% của nhóm đối chứng [2].

            Bên cạnh các chỉ số phôi học, việc bảo tồn cấu trúc vi thể của noãn là tiêu chí quan trọng nhất để đánh giá tính an toàn của công nghệ. Để đánh giá độ an toàn cấu trúc vi thể của noãn MII sau khi tách, Phuc và cs. (2026) đã tiến hành nhuộm huỳnh quang hiển vi đồng tiêu sử dụng chất đánh dấu protein α-tubulin để quan sát thoi phân bào và chất nhuộm DAPI (4',6-diamidino-2-phenylindole) để hiển thị chính xác vị trí của bộ nhiễm sắc thể. Kết quả xác nhận rằng noãn được tách bằng chip AMOD duy trì hình thái thoi phân bào lưỡng cực với các nhiễm sắc thể xếp hàng tập trung tại mặt phẳng kỳ giữa mà không xuất hiện hiện tượng đứt gãy vi ống hay phân tán nhiễm sắc thể như thường gặp ở các noãn chịu tác động cơ học quá mức từ thao tác tách noãn thủ công [2].

Công nghệ MM là một trong những tiến bộ kỹ thuật hướng đến chuẩn hóa và tự động hóa quy trình tách noãn trong labo IVF. Bằng cách ứng dụng các nguyên lý thủy động lực học trong vi kênh hình học tối ưu, phương pháp này cho phép kiểm soát lực tách dưới ngưỡng gây tổn thương tế bào noãn, cũng như đạt hiệu suất tách tế bào hạt cao (93,7% – 98,25%), bảo vệ toàn vẹn cấu trúc thoi phân bào, từ đó nâng cao tỷ lệ phát triển phôi nang. Tuy nhiên, việc đưa chip MM tách noãn vào ứng dụng lâm sàng thực tế vẫn gặp một số rào cản về mặt kỹ thuật như nguy cơ tắc nghẽn các vi kênh do rác tế bào hạt hoặc mảng máu đông trong dịch nang noãn, cũng như có sự biến thiên tự nhiên kích thước tự nhiên của noãn người ảnh hưởng đến hiệu suất tách của chip. Trong tương lai, xu hướng phát triển sẽ tập trung vào việc tích hợp chip tách noãn vào hệ sinh thái ICSI-on-a-Chip hoàn chỉnh, nối liền các khâu từ chọn tinh trùng, tách noãn, đánh giá độ trưởng thành đến ICSI tự động trên một hệ thống vi lưu khép kín.

  1. Mokhtare A, Favakeh A, Xie P, Rosenwaks Z, Abbaspourrad A, Palermo G. A sound approach for ova denudation. F&S Sci. 2025;6(2):118-125.
  2. Phuc HD, Lee D, Lee H, Kang YJ, Seo TS. Development of a novel Automated Microfluidic Oocyte Denudation (AMOD) system for assisted reproductive technology. Chem Eng J. 2026;533:174670.
  3. Weng L, Lee GY, Liu J, Kapur R, Toth TL, Toner M. On-chip oocyte denudation from cumulus–oocyte complexes for assisted reproductive therapy. Lab Chip. 2018;18(24):3892-3902.
  4. Dessouky AH, El-Hussieny H, El-Sherry TM, Parque V, Fath El-Bab AMR. Development of a low-cost microfluidic chip for hyaluronidase-free oocyte denudation in mammals. Biotechnol Notes. 2025;6:133-142.
  5. Zhai R, Shan G, Dai C, Hao M, Zhu J, Ru C, Sun Y. Automated denudation of oocytes. Micromachines. 2022;13(8):1301.