Ink-Jet technologies

1. Ink-Jet technologies Corso di Tecniche di Microfabbricazione 5 maggio 2009

2. Ink-Jet principles Non contact printing, ovvero non c’è interazione diretta con il substrato di stampa Principio di funzionamento: proiettare su un substrato delle gocce di inchiostro. Più “passate” della testina, controllate via software, servono per realizzare il pattern di stampa desiderato. • Le stampanti ink-jet commerciali si differenziano principalmente per: • gestione colori • risoluzione di stampa • tempi di realizzazione stampa

3. Thermal Ink-Jet (I) La goccia è proiettata sul substrato sfruttando la forza motrice di una bolla La goccia d'inchiostro viene riscaldata all'interno degli ugelli di stampa da un termoresistore, per effetti del riscaldamento si forma una bolla che espandendosi spinge l’inchiostro fuori dagli ugelli. dispositivo che si riscalda quando viene percorso da corrente elettrica il vuoto lasciato dalla goccia eiettata richiama altro inchiostro dai rispettivi serbatoi. Il dispositivo riscaldatore viene ovviamente disattivato in attesa che il nuovo inchiostro riempia nuovamente gli ugelli. Frequenza di pilotaggio: parametro fondamentale per il risultato di stampa

4. Thermal Ink-Jet (II) Il diametro degli ugelli, la temperatura, le proprietà dell’inchiostro (viscosità, densità, bagnabilità, angolo di contatto), sono opportunamente dimensionate in modo che la cinetica della goccia eiettata raggiunga velocità comprese tra 5-12 m/s

5. Piezoelectric Ink-Jet Tecnologia elettro-meccanica, consente di ottenere un miglior controllo sul processo di formazione della goccia di inchiostro L'inchiostro viene inviato nella testina di stampa di forma tronco-conica attraverso una particolare camera che è a stretto contatto con l'elemento piezoelettrico. con appositi campi elettrici l'elemento piezoelettrico si deforma, generando un aumento della pressione all’interno dell’ugello. l'inchiostro viene eiettato attraverso gli ugelli della testina di stampa sul substrato

6. Design della cartuccia (I) Contatti per il controllo software Serbatoio per inchiostro Testina

7. Design della cartuccia (II) Processo fotolitografico per la realizzazione della testina e del circuito integrato

8. Design della cartuccia (III) Idraulica del chip realizzata per il riempimento ugelli in tempi utili per il pilotaggio e la stampa • diametro ugello 10 – 80 µm • volumi goccia 20 – 160 pL • frequenze pilotaggio < 50 Hz • temperature 200 – 300 °C

9. Generazione della goccia (I) Formazione di gocce secondarie Bagnabilità dell’inchiostro, interazione con l’ugello

10. Generazione della goccia (II) La cinetica di uscita della goccia risulta fondamentale per la qualità di stampa. La risoluzione, quantificata in Dots Per Inch (dpi), delle stampanti ink-jet commerciali è compresa tra 300 - 600 dpi, mentre nelle stampanti fotografiche si raggiungono 1200 dpi (volumi goccia = 4.5 pL). • Al fine di trovare un giusto compromesso tra qualità e velocità di stampa, è necessario dimensionare: • tempo di raggiungimento del substrato di deposizione • tempo di evaporazione dell’inchiostro • interazione substrato-inchiostro

11. Deposition of DNA µ-Array La tecnologia ink-jet è utilizzata per l’eiezione controllata di biomateriali attivi, quali acidi nucleici (RNA, DNA) e proteine, per la funzionalizzazione superficiale di opportuni substrati (analisi bio-molecolari, testing cellulare, analisi genomiche…).

12. Organ Bioprinting (I)

13. Organ Bioprinting (II) • Pre-processing • Processing • Post-processing • Pre-processing, acquisizione immagini biologiche: • Tecniche RMI, TAC, … ; • Modelli matematici, determinazione delle regole per la disposizione spaziale delle cellule.

14. Organ Bioprinting (III) • Processing, realizzazione layer-by-layer: • Deposizione di una sospensione di cellule-gel secondo traiettoria CAD; • Deposizione di gel (collagene, tipo I) dello stesso spessore del diametro cellulare

15. Organ Bioprinting (IV) Post-processing, accelerazione dei processi cellulari per la maturazione in-vitro degli ‘organi stampati’

16. Scaffold Properties • Topologia • Proprietà Meccaniche • porosità (micro- e macroscopica) • bagnabilità • stress-strain • creep

17. Materiali Polimeri sintetici Polimeri naturali

18. Porosità æ ö æ ö r - r r ç ÷ ç ÷ × = - × material structure structure Porosità = 100 1 100 ç ÷ ç ÷ r r è ø è ø material material Macroporosità (strutture 3D) Microporosità superficiale

19. Caratterizzazione meccanica Polimeri utilizzati nelle diverse tecniche di fabbricazione sono più rigidi rispetto ai tessuti biologici. Topologia e porosità influenzano notevolmente le proprietà meccaniche degli scaffolds, risulta quindi necessaria una caratterizzazione meccanica per garantire continuità meccanica sull’interfaccia tessuto materiale. Static tensile test (Ugo Basile): Stress-strain, swelling e creep Dynamic compressive test (GABO)

20. Stress-Strain PLGA Influenza della struttura tridimensionale sulle proprietà meccaniche risultanti

21. Stress-Strain PCL Influenza della struttura tridimensionale sulle proprietà meccaniche risultanti

22. Creep test Influenza della struttura tridimensionale sul comportamento meccanico

23. Proprietà meccaniche • Influenzate principalmente da tre caratteristiche dello scaffold: • materiale utilizzato • struttura tridimensionale (o topologia) • spessore della linea (quindi quantità di materiale) Spessore di linea Multistrato / Topologia 10 m 30 m

24. Bagnabilità (I) Bagnabilità, interazione di permeabilità di un fluido all’interno della struttura tridimensionale. I principali fattori che influenzano la bagnabilità sono: la capillarità e l’idrofilicità. • La bagnabilità è misurata con un test che utilizza una bilancia a torsione. Il test si divide in due fasi: • Fluido a contatto con una superficie della struttura; • Struttura immersa per metà altezza nel fluido.

25. Bagnabilità (II) Segnale registrato 2° fase DV= 0.9Vregime– 0.1Vregime DV Bagnabilità = t2 – t1 1° fase

26. Tensione superficiale Proprietà tipica dei fluidi che opera lungo l’interfaccia tra il fluido ed un altro materiale Si definisce tensione superficiale di un liquido la quantità di lavoro richiesto per aumentare l’estensione della sua superficie di una unità a temperatura costante del sistema (ovvero in condizioni termodinamiche costanti), cioè l'aumento di energia libera (ΔF=ΔU-Q) per unità di superficie.

27. Angolo di contatto Interazione liquido-substrato: parametro di fondamentale importanza nella determinazione della risoluzione spaziale della quantità di materiale deposta Misurazione per metodo diretto della goccia