Ink-Jet technologies
Corso di Tecniche di Microfabbricazione
5 maggio 2009
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
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
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-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 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-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…).
Organ Bioprinting (I)
Organ Bioprinting (II)
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 (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
Organ Bioprinting (IV)
Post-processing, accelerazione dei processi cellulari
per la maturazione in-vitro degli ‘organi stampati’
Scaffold Properties
• Topologia
• Proprietà Meccaniche
• porosità (micro- e macroscopica)
• bagnabilità
• stress-strain
• creep
Materiali
Polimero
Solvente
Poly-(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
Polimeri sintetici
Polimeri naturali
Porosità
 r material - r structure 

r structure 
÷
÷
Porosità = 
×100 = 1 ×100
÷
÷

r material


 r material 
Macroporosità (strutture 3D)
Microporosità superficiale
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)
Stress-Strain PLGA
Influenza della struttura tridimensionale sulle proprietà meccaniche risultanti
2.5
Stress (MPa)
2
PLGAsquare90
PLGAsquare130
1.5
PLGAoctagonal90
PLGAhezagonal130
1
PLGAhexagonal90
0.5
PLGAoctagonal130
0
0
0.5
1
Strain
1.5
2
Stress-Strain PCL
Influenza della struttura tridimensionale sulle proprietà meccaniche risultanti
3
stress (MPa)
2.5
PCL square 90
PCL hexagonal 90
2
PCL octagonal 90
1.5
PCL square 130
1
PCL hexagonal 130
0.5
PCL octagonal 130
0
0
0.5
1
strain
1.5
2
Creep test
Influenza della struttura tridimensionale sul comportamento meccanico
0,014
0,012
square grid
0,008
hexagonal grid
0,006
octagonal grid
0,004
0,002
time (min)
225
200
175
150
125
100
75
50
25
0
0
Strain
0,01
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
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:
1. Fluido a contatto con una superficie della struttura;
2. Struttura immersa per metà altezza nel fluido.
Bagnabilità (II)
Segnale registrato
2° fase
DV= 0.9Vregime– 0.1Vregime
DV
Bagnabilità =
t2 – t1
7
8
6
7
5
6
4
I phase
3
II phase
2
DV (mV)
DV (mV)
1° fase
5
I phase
4
II phase
3
2
1
1
0
0
30
50
70
90
110
line width (m)
130
150
2
3
4
5
n. layer
6
7
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.
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
 2H  
 - 1
 D  
 = 180 - ar cos
 2L 

S 
 = 2  arc tan 