Realizzata la macchina e il software di controllo, si è passati a studiare i risultati ottenibili utilizzando il metodo di stampa a getto di inchiostro. Lo scopo degli studi seguenti è di individuare il comportamento della testina e studiare i risultati ottenibili nel caso in cui l’inchiostro venga sostituito con soluzioni contenenti fattori di crescita a diverse concentrazioni.
Tutte le stampe sono state eseguite su un vetrino da microscopio, in modo da poter visualizzare ad un microscopio ottico i risultati. Il microscopio utilizzato presenta su uno dei due oculari una griglia di 110x110 quadratini, la cui dimensione è tabulata e dipende dall’ingrandimento utilizzato, risultando utile per determinare le dimensioni di ciò che si va ad osservare.
4.1. Cenni sulla stampa termica InkJet
Il meccanismo con il quale l’inchiostro viene espulso dagli ugelli si basa su un principio termico. Gli ugelli sono ricavati in una sottile lamina in materiale plastico o metallico fissata per mezzo di un materiale barriera su un chip di silicio. Sul chip di silicio sono presenti dei micro riscaldatori in corrispondenza degli ugelli e tra la lamina metallica e il silicio è presente una camera, detta camera di ebollizione.
L’inchiostro entra nelle camere di ebollizione per capillarità, dove viene riscaldato per mezzo dei micro riscaldatori al passaggio della corrente. L’innalzamento di temperatura è repentino e provoca la formazione di una bolla di vapore che crea una forte pressione, la quale spinge fuori dall’ugello la goccia di inchiostro per poi collassare. Terminato il processo, la camera si raffredda e si riempie di nuovo di inchiostro in pochi microsecondi ed è di nuovo disponibile per un altro ciclo di stampa. Ciò che ha spinto a realizzare questo dispositivo è proprio questo particolare sistema di stampa. Nel momento del riscaldamento la temperatura dell’inchiostro sale repentinamente fino a temperature che possono raggiungere le centinaia di gradi. Questo shock termico, sebbene della durata di pochissimi microsecondi, potrebbe danneggiare le biomolecole ed è motivo di studio per verificare l’effettiva utilizzabilità di questa tecnologia.
4.2. Prove con inchiostro
Nelle prime prove è stata utilizzata la cartuccia originale con inchiostro nero.
Si è anzitutto cercato di determinare quale fosse il DPI massimo utilizzabile e anche di misurare il DPI verticale effettivo che è possibile ottenere con queste condizioni di stampa, in modo da verificare i dati di targa della cartuccia.
Sono state quindi effettuate delle prove andando a stampare pattern con DPI crescente. Il DPI (Dots
Ingrandimento Dimensione di un quadrato 4x 25µm 10x 10µm 20x 5µm 40x 2,5µm
Per Inch ) misura la risoluzione di un’immagine stampata, andando a quantificare il numero di punti
distinti che il dispositivo riesce a stampare su una linea lunga un pollice, cioè 25,4mm.
Figura 24: Stampa di un Pattern a 50DPI, osservata con ingrandimento 4x dall'oculare che presenta la griglia di misura
In Figura 24 e in Figura 25, è possibile osservare una stampa di un pattern 50 DPI, rispettivamente ingrandita a 4x e 10x. La griglia ci permette di misurare la distanza tra i punti, riportata in Tabella 3, contando manualmente i quadretti tra il centro di una goccia e il centro di quella successiva. Il centro è stato determinato come punto di incontro tra le diagonali di un quadrato di dimensione minima da poter contenere per intero la goccia.
Considerando che una stampa a 50DPI dovrebbe presentare un punto ogni 508µm (25,4mm / 50 = 0,508mm) e tenendo presente dell’errore di misura che nel primo caso è al più di 25µm e nel secondo di al più 10µm, la stampa si può considerare abbastanza precisa. Considerazioni simili si possono fare anche per stampe a DPI più elevato e il DPI si può considerare rispettato fino a 100DPI, sopra il quale le gocce cominciano ad unirsi.
Tra le caratteristiche della cartuccia è indicato che essa è in grado di stampare con risoluzione di 96DPI. Tale misura è riferita alla distanza verticale dei punti, poiché quella orizzontale dipende da come la cartuccia si muove nel piano. Infatti, nelle immagini qui proposte e in quelle presentate successivamente si può facilmente vedere che la distanza verticale tra i puti si mantiene circa cosante. Misurando quanto distano i punti in direzione verticale utilizzando un ingrandimento di 10x è possibile vedere che i centri dei punti distano tra 26 e 28 quadratini l’uno dall’altro, il che vuol dire che distano
tra 260µm e 280µm, corrispondenti ad un range di DPI compreso tra 90 e 97, quindi mediamente inferiore
a quello indicato nelle specifiche, anche se di pochi punti.
Dalla Figura 25 è possibile notare visivamente che i punti periferici risultano notevolmente più piccoli dei punti che si trovano al centro della striscia. La differenza della dimensione dell’impronta lasciata sul vetrino suggerisce che anche il volume eiettato dagli ugelli non sia omogeneo sui vai ugelli. Questo è perfettamente in linea con le caratteristiche della cartuccia, poiché il volume che viene espulso dagli ugelli è indicato nelle specifiche come un volume medio, pertanto è lecito aspettarsi che le gocce non siano tutte della stessa dimensione. La differenza di volume tra le gocce periferiche e quelle centrali può essere stimata rifacendosi alla seguente affermazione:
Ø Il diametro dell’impronta lasciata sul vetrino da una goccia è circa tre volte il diametro della goccia stessa1.
Effettuiamo quindi delle misurazioni prendendo alcune impronte come campioni e calcoliamo i volumi,
tenendo contro che 1µm3 = 1000pl:
• Gocce di dimensione maggiore
1 Brian Derby, Inkjet Printing of Functional and Structural Materials: Fluid Property, Requirements, Feature Stability, and Resolution, Annual
Review of Materials Research, Vol. 40:395-414, 2010
Ingrandimento Distanza orizzontale media misurata
4x 21 x 25µm = 525µm
10x 52 x 10µm = 520µm
Dimensione verticale 22 quadretti = 220µm
Dimensione orizzontale 26 quadretti = 260µm
Diametro medio impronta = 240µm
Diametro goccia = 80,0µm Raggio goccia = 40,0µm
Volume goccia = 0,268 µm3 = 268pl
Dimensione verticale 22 quadretti = 220µm
Dimensione orizzontale 24 quadretti = 240µm
Diametro medio = 230µm Diametro goccia = 76,7µm Raggio goccia = 38,3 µm
Volume goccia = 0,235 µm3 = 235pl
Altre misurazioni effettuate misurando fotografie delle gocce centrali che non presentano la griglia hanno riportato le seguenti misure:
Dimensione verticale [µm] Dimensione orizzontale [µm] Diametro medio impronta [µm] Diametro
goccia[µm] Raggio goccia[µm] Volume goccia
230 240 235 78,3 39,2 0,252µm3 = 252pl
240 240 240 80,0 40,0 0,268µm3 = 268pl
240 250 245 81,6 40,8 0,285µm3 = 285pl
230 260 245 81,6 40,8 0,285µm3 = 285pl
Pertanto, i due ugelli centrali, espellono gocce di inchiostro con un volume medio di 265pl, ovvero più grandi della media indicata nelle specifiche del 65%.
Dimensione verticale 19 quadretti = 190µm
Dimensione orizzontale 18 quadretti = 180µm
Diametro medio impronta = 185µm
Diametro goccia = 61,6µm Raggio goccia = 30,8µm
Volume goccia = 0,122 µm3 = 122pl
Dimensione verticale 19 quadretti = 190µm
Dimensione orizzontale 18 quadretti = 180µm
Diametro medio impronta = 185µm
Diametro goccia = 61,6µm Raggio goccia = 30,8µm
Volume goccia = 0,122 µm3 = 122pl
Altre misurazioni effettuate osservando fotografie delle gocce centrali che non presentano la griglia hanno riportato le seguenti misure:
Dimensione verticale [µm] Dimensione orizzontale [µm] Diametro medio impronta [µm] Diametro
goccia[µm] Raggio goccia[µm] Volume goccia
180 200 190 63,4 31,7 0,133µm3 = 133pl
190 190 190 63,4 31,7 0,133µm3 = 133pl
180 180 180 60,0 30,0 0,113µm3 = 113pl
190 200 195 65,0 32,5 0,143µm3 = 143pl
Pertanto, gli ugelli periferici sia superiori che inferiori, espellono gocce di inchiostro con un volume medio di 128pl, ovvero più piccole della media indicata nelle specifiche del 20%.
Da queste misure emerge che la differenza di volume tra le gocce espulse dagli ugelli centrali e quelle espulse dagli ugelli periferici è considerevole. Le gocce centrali sono mediamente più grandi di quelle periferiche del 107%, ovvero più del doppio. Tuttavia, facendo una media delle gocce di una fila scelta arbitrariamente, il volume indicato come medio nei dati di targa della cartuccia, cioè 160pl, risulta ben dimensionato, con valori che deviano dalla media di pochi pico litri. Ad esempio, prendendo l’immagine in Figura 25 ed ipotizzando una simmetria delle gocce superiori rispetto a quelle inferiori, considerando la colonna di destra che rientra nella quadrettatura si ottiene un volume medio di 159pl.
L’accentuata differenza di volume tra le gocce nelle varie zone, limita anche il DPI massimo con il quale è possibile stampare.
Figura 26: Immagine di un pattern a 100DPI ingrandito a 4x. Il fenomeno di unione delle gocce rimane limitato.
Figura 27: Immagine di un pattern a 150DPI ingrandito a 4x. Le gocce cominciano a unirsi anche nelle posizioni non centrali. In questa immagine si nota la mancanza di una linea di punti, questo è dovuto all'otturazione di un ugello.
Le gocce centrali, a causa della dimensione elevata, tendono ad unirsi tra loro e a rendere indistinguibili punti vicini ben prima di quanto non accade hai punti periferici. Come limite superiore è stato individuato 100DPI per avere immagini accettabili, poiché con DPI superiori si ottengono immagini di qualità pessima a causa dell’unione di estese zone centrali nel quale non è più possibile distinguere punti separati. Il DPI individuato è di poco superiore a quello indicato nei dati di targa della cartuccia, valutato in 96DPI.
Come detto in precedenza, le misure sono state fatte osservando delle stampe effettuate su un vetrino da microscopio. Essendo la cartuccia concepita per stampare su carta è molto probabile che le gocce non si uniscano su carta, specie a causa della maggiore bagnabilità della carta.
Per poter misurare le gocce al quale non è sovrapposta la griglia di misura, è stato utilizzato un programma di grafica semplice (Paint Pen Free per Mac) con il quale parti della griglia sono state ritagliate e sovrapposte alle gocce in modo tale da permettere la misura.
4.3. Prove con fattori di crescita
Misurati i parametri di stampa si è passati allo studio del comportamento del sistema nel caso in cui la soluzione da stampare non sia più inchiostro ma una soluzione contenente i fattori di crescita a diverse concentrazioni.
Per prima cosa, è stato necessario adattare la cartuccia in modo da poter effettuare le prove richieste. È stata rimossa parte della copertura superiore della cartuccia, facendo attenzione a non danneggiare le sporgenze necessarie all’ancoraggio della cartuccia al supporto. All’interno della cartuccia era presente una spugna contenente i 15ml di inchiostro nero, la quale è stata a sua volta rimossa. Effettuate queste operazioni, è rimasta scoperta l’apertura sul fondo della cartuccia attraverso il quale l’inchiostro arriva agli ugelli. Su di essa era applicato anche un filtro metallico, il quale è stato a sua volta tolto per poter incastrare sull’apertura un pozzetto per il caricamento della soluzione di stampa, realizzato utilizzando il beccuccio di una pipetta da laboratorio.
Figura 28: Cartuccia con la parte superiore rimossa, in evidenza il pozzetto realizzato tagliando il beccuccio di una pipetta da laboratorio
Dopo queste operazioni, la cartuccia è stata accuratamente pulita utilizzando acqua deionizzata e alcol isopropilico. Per rimuovere eventuali residui solidi incrostati la cartuccia è stata immersa in un becher contenente acqua e sottoposta a dieci minuti di pulizia utilizzando un sonificatore.
Sono state poi preparate alcune soluzioni da testare. Essendo la soluzione con i fattori di crescita completamente incolore, è stato necessario utilizzare un colorante. Si è scelto di utilizzare un colorante alimentare blu, il quale è stato testato in varie percentuali volumetriche per verificare la quantità minima necessaria di colorante da aggiungere ad una soluzione incolore che permettesse una corretta visualizzazione dei risultati.
concentrazione della soluzione colorante utilizzata non è indicata sulla confezione, ma è possibile sapere che si tratta di una soluzione contenete il colorane alimentare Blu Brillante FCF, identificato con la sigla E133.
Figura 29: A destra, la fotografia di un pattern stampato utilizzando una soluzione al 30% in volume di colorante, a sinistra, lo stesso pattern stampato utilizzando una soluzione al 50% in volume di colorante
Per concentrazioni inferiori al 50% in volume di colorante, le stampe sono state giudicate troppo chiare e di difficile lettura. Utilizzando soluzioni al 50% si ottengono invece stampe sufficientemente definite per i nostri studi.
Le soluzioni contenenti i fattori di crescita sono state preparate a partire da un flacone di soluzione con concentrazione di 1mg/ml, pertanto sono state preparate effettuando delle diluizioni in modo da
ottenere alla fine un volume di 500µl per soluzione, che rispetti comunque la percentuale volumetrica del
50% di colorante.
La preparazione è avvenuta utilizzando come strumento di misura per i prelievi una pipetta da laboratorio con portata 500µl, e come contenitore per le soluzioni cinque provette da analisi da 12ml. Essendo tutte le soluzioni al 50% in volume di colorante, per prima cosa sono stati posti 250µl di colorante in ciascuna provetta.
Successivamente, sostituito il beccuccio della pipetta, si è passati a prelevare le giuste quantità di soluzione a concentrazione 1mg/ml, le quali sono state poi messe nelle provette corrispondenti, preventivamente segnate utilizzando un pennarello indelebile e dello scotch di carta.
Il resto del volume per ottenere le concentrazioni desiderate è stato prelevato da una piccola beuta Concentrazione [mg/ml] Volume finale richiesto [µl] Volume prelevato di soluzione 1mg/ml [µl] Volume di diluizione [µl] Volume di acqua pura da aggiungere [µl] Volume colorante da aggiungere [µl] Soluzione 1 0,05 500 25 475 225 250 Soluzione 2 0,1 500 50 450 200 250 Soluzione 3 0,2 500 100 400 150 250 Soluzione 4 0,3 500 150 350 100 250 Soluzione 5 0,5 500 250 250 0 250
contenente acqua deionizzata, previa ulteriore sostituzione del beccuccio della pipetta. Le soluzioni cosi preparate sono state quindi caricate nella cartuccia una alla volta.
Ad ogni prova è stato prelevato un volume di 250µl dalla provetta in esame e caricato nel pozzetto
ricavato nella cartuccia. Una volta effettuate le stampe, la soluzione rimasta è stata recuperata e riposta nella provetta corrispondente, e la cartuccia è stata lavata con acqua e alcol isopropilico e sottoposta a qualche minuto di trattamento con il sonificatore.
Ad ogni cambio di soluzione è stato sostituito il beccuccio della pipetta utilizzata per i prelievi, in modo da evitare contaminazioni tra soluzioni a diversa concentrazione.
Figura 30: Provette contenenti le soluzioni appena preparate. Si noti la colorazione blu intensa, dovuta al fatto che metà del volume è costituito da soluzione colorante
Figura 31: Stampa di un pattern con soluzione a
Figura 35: Stampa di un pattern con soluzione a concentrazione di 0,50mg/ml
Le immagini qui riportate sono rappresentative delle prove effettuate. Si può notare che da un certo momento in poi uno degli ugelli sembra essersi otturato. Probabilmente questo è dovuto all’usura della testina di stampa e non alla soluzione stampata, a causa dei numerosi risciacqui e spostamenti a cui è stata sottoposta.
Figura 33: Stampa di un pattern con soluzione a