ink-jet technologies
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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
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