Ink-Jet technologiesInk-Jet technologies

Corso di Tecniche di Microfabbricazione5 maggio 2009

Ink-Jet principlesNon contact printing, ovvero non c’è interazione diretta con il substrato di stampa

Le stampanti ink-jet commerciali si differenziano principalmente per:

• gestione colori

• risoluzione di stampa

• tempi di realizzazione 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.

Thermal Ink-Jet (I)

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.

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

Frequenza di pilotaggio: parametro fondamentale per il risultato di stampa

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

Piezoelectric Ink-JetTecnologia elettro-meccanica, consente di ottenere un miglior controllo sul processo

di formazione della goccia di inchiostro

1. 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.

2. con appositi campi elettrici l'elemento piezoelettrico si deforma, generando un aumento della pressione all’interno dell’ugello.

3. l'inchiostro viene eiettato attraverso gli ugelli della testina di stampa sul substrato

Design della cartuccia (I)Contatti per il

controllo software

Serbatoio per inchiostro

Testina

Design della cartuccia (II)

Processo fotolitografico per la realizzazione della testina e del circuito integrato

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

Generazione della goccia (I)

Bagnabilità dell’inchiostro, interazione con l’ugello

Formazione di gocce secondarie

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

Deposition of DNA µ-ArrayLa 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…).

Organ Bioprinting (I)

1. Pre-processing2. Processing3. Post-processing

Pre-processing, acquisizione immagini biologiche:1. Tecniche RMI, TAC, … ;2. Modelli matematici, determinazione delle regole

per la disposizione spaziale delle cellule.

Organ Bioprinting (II)

Organ Bioprinting (III)

Processing, realizzazione layer-by-layer:1. Deposizione di una sospensione di cellule-gel

secondo traiettoria CAD;2. Deposizione di gel (collagene, tipo I) dello stesso

spessore del diametro cellulare

Post-processing, accelerazione dei processi cellulari per la maturazione in-vitro degli ‘organi stampati’

Organ Bioprinting (IV)

• Topologia

• Proprietà Meccaniche

Scaffold Properties

• porosità (micro- e macroscopica)

• bagnabilità

• stress-strain

• creep

Polimero SolventePoly-(L-lactide acid) (PLLA) Cloroformio

Poly- (ε-caprolactone) (PCL) Cloroformio

Poly- (lactide-co-glycolide) (PLGA)

Cloroformio

PCL-PLLA Blend Cloroformio

Poly-urethane Cloroformio

Sodium Alginate Acqua, Cell Culture Medium

Collagene Acqua, Cell Culture Medium

Materiali

Polimeri sintetici

Polimeri naturali

Porosità = 1001100

material

structure

material

structurematerial

Macroporosità (strutture 3D)

Porosità

Microporosità superficiale

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.

Caratterizzazione meccanica

Static tensile test (Ugo Basile):Stress-strain, swelling e creep

Dynamic compressive test (GABO)

 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 0.5 1 1.5 2

Strain

Str

es

s (

MP

a)

PLGAsquare90

PLGAsquare130

PLGAoctagonal90

PLGAhezagonal130

PLGAhexagonal90

PLGAoctagonal130

Stress-Strain PLGAInfluenza della struttura tridimensionale sulle proprietà meccaniche risultanti

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 0.5 1 1.5 2

strain

str

es

s (

MP

a)

PCL square 90

PCL hexagonal 90

PCL octagonal 90

PCL square 130

PCL hexagonal 130

PCL octagonal 130

Stress-Strain PCLInfluenza della struttura tridimensionale sulle proprietà meccaniche risultanti

0

0,002

0,004

0,006

0,008

0,01

0,012

0,0140 25 50 75 100

125

150

175

200

225

time (min)

Str

ain square grid

hexagonal grid

octagonal grid

Creep testInfluenza della struttura tridimensionale sul comportamento meccanico

10 m 30 m

Multistrato / Topologia

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

La bagnabilità è misurata con un test che utilizza una bilancia a torsione. Il test si divide in due fasi:1.Fluido a contatto con una superficie della struttura;2.Struttura immersa per metà altezza nel fluido.

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.

Bagnabilità (I)

Segnale registrato

1° fase

2° faseV= 0.9Vregime– 0.1Vregime

Bagnabilità =V

t2 – t1

0

1

2

3

4

5

6

7

30 50 70 90 110 130 150

line width (m)

V (

mV

)

I phase

II phase

0

1

2

3

4

5

6

7

8

2 3 4 5 6 7

n. layer

V (

mV

)

I phase

II phase

Bagnabilità (II)

Tensione superficialeProprietà 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.

1

2cos180

D

Har

S

Larc

2tan2

Misurazione per metodo diretto della goccia

Angolo di contattoInterazione liquido-substrato: parametro di fondamentale importanza nella

determinazione della risoluzione spaziale della quantità di materiale deposta