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

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Presentazione sul tema: "Ink-Jet technologies Corso di Tecniche di Microfabbricazione 5 maggio 2009."— Transcript della presentazione:

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

2 Ink-Jet principles Non contact printing, ovvero non cè 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.

3 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 linchiostro fuori dagli ugelli. dispositivo che si riscalda quando viene percorso da corrente elettrica Frequenza di pilotaggio: parametro fondamentale per il risultato di stampa

4 Thermal Ink-Jet (II) Il diametro degli ugelli, la temperatura, le proprietà dellinchiostro (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 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 allinterno dellugello. 3.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) Bagnabilità dellinchiostro, interazione con lugello Formazione di gocce secondarie

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 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 dellinchiostro interazione substrato-inchiostro

11 Deposition of DNA µ-Array La tecnologia ink-jet è utilizzata per leiezione 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 1.Pre-processing 2.Processing 3.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)

14 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

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

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

17 PolimeroSolvente Poly-(L-lactide acid) (PLLA)Cloroformio Poly- (ε-caprolactone) (PCL)Cloroformio Poly- (lactide-co-glycolide) (PLGA) Cloroformio PCL-PLLA BlendCloroformio Poly-urethaneCloroformio Sodium AlginateAcqua, Cell Culture Medium CollageneAcqua, Cell Culture Medium Materiali Polimeri sintetici Polimeri naturali

18 Porosità = 1001 material structure material structurematerial Macroporosità (strutture 3D) Porosità Microporosità superficiale

19 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 sullinterfaccia tessuto materiale. Caratterizzazione meccanica 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 10 m30 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

24 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 allinterno della struttura tridimensionale. I principali fattori che influenzano la bagnabilità sono: la capillarità e lidrofilicità. Bagnabilità (I)

25 Segnale registrato 1° fase 2° fase V= 0.9V regime – 0.1V regime Bagnabilità = V t 2 – t 1 Bagnabilità (II)

26 Tensione superficiale Proprietà tipica dei fluidi che opera lungo linterfaccia tra il fluido ed un altro materiale Si definisce tensione superficiale di un liquido la quantità di lavoro richiesto per aumentare lestensione 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 Misurazione per metodo diretto della goccia Angolo di contatto Interazione liquido-substrato: parametro di fondamentale importanza nella determinazione della risoluzione spaziale della quantità di materiale deposta


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