Scuola di Ingegneria
Corso di laurea triennale in Ingegneria Biomedica
Tesi di Laurea
Sviluppo di una stampante inkjet
ottimizzata per la realizzazione pattern
di fattori di crescita cellulare
Relatore:
Candidato:
Prof. Giovanni Vozzi
Gabriele Rossi
Correlatori:
Dr. Ing. Carmelo De Maria
Dr. Ing. Daniele Pasciuto
Introduzione
Il mio lavoro di tesi si inserisce nell’ambito del progetto BOOST, il cui obbiettivo è quello di studiare come la geometria e le caratteristiche dell’ambiente extracellulare influenzino l’attività delle cellule che regolano l’omeostasi ossea e come queste possano portare all’insorgere di stati patologici.
Per ricreare in vitro modelli riproducibili di tessuto la cui geometria di partenza sia simile a quella del tessuto in esame, la tecnologia utilizzata è quella della stampa 3D multimateriale, al quale viene unito un sistema di stampa a getto di inchiostro, utilizzato per depositare in maniera localizzata dei fattori di crescita.
Con questo lavoro, viene descritto il procedimento seguito per realizzare un dispositivo di supporto per testare la stampabilità dei fattori di crescita. I test verranno poi effettuati dai collaboratori che si occupano della parte biologica del progetto, presso il Dipartimento di Scienza Applicata e della Tecnologia del Politecnico di Torino. Parte dell’elaborato è inoltre dedicata alla caratterizzazione del dispositivo: in primo luogo, sono stati verificati i dati di targa della tecnologia utilizzata, mentre in seguito sono stati effettuati dei test di stampabilità di soluzioni contenenti fattori di crescita a concentrazioni note.
Analisi dei componenti
Per realizzare il dispositivo, si è partiti dall’analizzare le specifiche di progetto. Poiché il dispositivo verrà successivamente utilizzato da utenti che non si sono occupati della sua realizzazione, questo è stato pensato in modo da avere un facile ed intuitivo utilizzo ed avere poche semplici funzionalità, tra le quali prevedere la stampa di pattern e immagini a diversa velocità e definizione impostabile dall’utente. Dovendo poi essere utilizzato sotto cappa biologica, il dispositivo deve avere dimensioni contenute. Inoltre, è stato necessario utilizzare componenti facilmente reperibili e di costo contenuto. La parte fondamentale del dispositivo è una scheda InkShield, la stessa che verrà poi utilizzata nella stampante per la realizzazione in vitro dei tessuti. Questa scheda, interfacciabile facilmente con una scheda Arduino, funziona da driver per una cartuccia HP C6602A, la quale presenta 12 ugelli di stampa, distanti gli uni dagli altri 260µm e del diametro di 80µm, che sfruttano un meccanismo termico per l’espulsione di gocce di inchiostro. Da specifiche la cartuccia è in grado di stampare con una risoluzione di 96DPI ed espellere gocce del volume medio di 160pl.
La cartuccia si aggancia ad un supporto in plastica e viene collegata alla scheda tramite un cavo flat a 14 vie. All’interno è presente una spugna che trattiene l’inchiostro, la quale è stata successivamente rimossa per permettere di caricare all’interno le soluzioni da studiare.
Il dispositivo è stato dotato di un’interfaccia grafica che permette di cambiare alcune impostazioni e di scegliere cosa stampare. Per realizzarla è stato utilizzato un Arduino MEGA 2560 e un LCD KeyPAD Shield, il quale presenta un LCD ed alcuni pulsanti per la navigazione. Per far muovere la cartuccia si è scelto di utilizzare un servomotore, modello HS-645mg della Hitec, in quanto non richiede l’utilizzo di driver esterni e può essere controllato utilizzando un controllo PWM, facilmente implementabile con l’utilizzo di un Arduino.
Il dispositivo viene alimentato da un alimentatore switching a 12V, in grado di fornire 2A di corrente tramite un connettore DC da 5,5mm. In fase di costruzione, si è reso necessario anche l’utilizzo di un modulo DC-DC Step-Down regolato per erogare 5V di tensione, in quanto il regolatore di tensione dell’Arduino non è in grado di fornire la potenza necessaria ad alimentare tutte le componenti del dispositivo che richiedono una tensione stabilizzata a 5V, tra le quali il servomotore e l’LCD.
Messa in opera
Come già detto, l’obiettivo è creare un dispositivo in grado di stampare semplici immagini o pattern autonomamente, quindi, si è pensato fin da subito di montare la cartuccia su di una guida mobile e di attuarne il movimento per mezzo del servomotore.
In un primo momento, per prendere confidenza con le funzioni messe a disposizione con la libreria Arduino per il controllo della InkShield, sono stati studiati gli esempi disponibili. La libreria viene fornita in tre formati, da utilizzare a seconda del controllore utilizzato, e prevede due funzioni per l’inizializzazione della scheda, da usare anch’esse a seconda della configurazione degli ingressi della scheda stessa. Per quanto riguarda la stampa, la libreria fornisce un’unica funzione, che prende in ingresso intero che codifica l’attivazione degli ugelli in un ciclo di stampa. Questa singola funzione si occupa in automatico di indirizzare i dati e generare gli impulsi con la giusta temporizzazione, in modo che ad ogni richiamo, tutti gli ugelli vengano attivati o lasciati inattivi a seconda della codifica messa in ingresso.
Per testare la libreria sono state effettuate delle prove preliminari. La cartuccia è stata montata su una guida azionata manualmente e la InkShield è stata inizialmente collegata ad un Arduino 2009. Sull’Arduino sono state quindi caricati dei semplici programmi di prova, sviluppati a partire dagli esempi disponibili della libreria:
- Prima prova: il programma prevede l’esecuzione all’avvio, per un certo numero di volte, della funzione di stampa richiamata mettendo in ingresso un intero in modo che tutti gli ugelli vengano attivati. L’obiettivo di questa prova è stato quello di verificare il corretto funzionamento della scheda, soprattutto per quanto riguarda le connessioni elettriche.
- Seconda prova: il programma prevede l’esecuzione all’avvio, per un certo numero di volte, di un loop che attiva singolarmente ciascuno degli ugelli in maniera ciclica. L’obiettivo di questa prova era testare l’effettiva controllabilità degli ugelli in modo indipendente gli uni dagli altri. - Terza prova: il programma prevede l’esecuzione all’avvio di una funzione che porta alla stampa
di una stringa di lettere. L’obiettivo di questa funzione era verificare la possibilità di stampare immagini a partire da una codifica bitmap delle stesse. La codifica binaria delle lettere utilizzare è stata ripresa da uno degli esempi disponibili con la libreria.
In questa fase, essendo la cartuccia mossa sulla guida in modo manuale, le stampe ottenute non mostrano una spaziatura regolare. Tuttavia il risultato delle prove si è dimostrato soddisfacente, mostrando una relativa semplicità di utilizzo della libreria.
Fatto questo, si è voluto testare l’uso della InkShield insieme a quello del servomotore che verrà utilizzato in seguito per la movimentazione della cartuccia, ed anche queste prove hanno dato esiti positivi.
Terminate le prove preliminari, ci si è dedicati a realizzare la macchina vera e propria. La cartuccia è stata fissata ad un carrello, realizzato utilizzando due assi lisci paralleli e delle boccole con funzione di cuscinetti di strisciamento. Il carrello è stato collegato al servomotore per mezzo di un meccanismo biella-manovella, in modo da convertire il movimento rotatorio del servomotore in un movimento lineare del carrello. Questo meccanismo è stato fissato ad un profilato di alluminio a sezione quadrata, a sua volta montato su di una piastra in PVC che funziona da base della macchina.
Tutta l’elettronica è stata montata sulla parte superiore del profilato, e consiste in un impilamento dove nella parte più bassa troviamo l’Arduino MEGA, al centro la InkShield e sulla parte superiore L’LCD KeyPad Shield. L’alimentazione viene fornita tramite un alimentatore esterno a 12V, collegato ad un modulo regolatore DC-DC Step Down che abbassa la tensione a 5V. La scheda InkShield riceve anche
l’alimentazione a 12V tramite un connettore dedicato sulla scheda stessa, necessario per alimentare la cartuccia.
Questo assemblaggio è stato racchiuso in un case stampato in ABS che presenta delle aperture sul fondo e sui lati per il collegamento della fonte di alimentazione, il collegamento del cavo seriale USB e il passaggio dei cavi, oltre ad un’apertura che serve da alloggiamento per un interruttore per spengere ed accendere il dispositivo.
Sulla parte superiore del case è inciso il nome della macchina e sono presenti delle aperture nel quale trovano alloggio lo schermo LCD e i pulsanti per la navigazione.
Programmazione
Il programma per il controllo della macchina è stato sviluppato utilizzando l’IDE Arduino e comprende circa 700 righe di codice, in gran parte dedicato alla gestione dell’interfaccia grafica ed ampiamente commentato nel codice stesso.
Tra le funzioni implementate, individuiamo quelle fondamentali:
- float distanza (float alfa_d){}: Questa funzione prende in ingresso un angolo in gradi e restituisce una distanza in millimetri. Questa funzione viene richiamata ogni volta che è necessario conoscere la posizione del carrello avendo nota la rotazione dell’albero del servomotore rispetto alla verticale.
- void stampa_img(int n_img, bool pat){}: Questa funzione si occupa della stampa delle immagini e dei pattern. In ingresso prende delle variabili, intere e booleane, attraverso il quale è possibile scegliere l’immagine da stampare. Il cuore della funzione fa largo uso della funzione descritta in precedenza, e considera variabili come il DPI impostato e la velocità, modificabili in un apposito menù dell’interfaccia grafica. Nel codice sono inoltre presenti alcuni accorgimenti tramite il quale è possibile calibrare il DPI ed evitare condizioni di funzionamento instabile del servomotore.
- void print_ul(){}: Questa funzione permette di stampare un volume noto di soluzione di stampa, modificabile dall’utente.
- void program_mode(){}: Questa funzione permette un controllo della stampa per via seriale. Quando viene richiamata si attiva una modalità attraverso il quale il dispositivo si predispone a ricevere per via seriale pacchetti di informazioni opportunamente costruiti in modo da fornire ogni volta alla macchina una posizione e un bitmap da stampare una volta raggiunta tale posizione.
Il resto del codice è dedicato alla gestione dell’interfaccia grafica, che comprende sia il controllo dell’LCD che la lettura dello stato dei pulsanti e del controllo del servomotore.
Analisi qualitativa e quantitativa
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. Le stampe sono state effettuate su un vetrino da microscopio e le misurazioni sono state eseguite osservando le stampe ad un microscopio ottico dotato di una griglia di misura, di dimensione nota e legata all’ingrandimento utilizzato, che veniva sovrapposta all’immagine osservata.
In una prima analisi, sono state fatte delle stampe utilizzando la cartuccia originale, con lo scopo di misurare il DPI massimo ottenibile e di verificare i dati di targa della cartuccia.
In direzione verticale il DPI è risultato essere mediamente più piccolo, anche se di pochi punti a quello indicato nei dati di targa, mentre in senso orizzontale è stato possibile ottenere al massimo una risoluzione di 100DPI, risoluzione al di sopra del quale iniziano a verificarsi fenomeni estesi di unione delle gocce, e quindi di indistinguibilità dei punti.
È stato inoltre notato che la dimensione delle gocce varia a seconda dell’ugello interessato. Dai dati di targa il volume delle gocce risulta essere mediamente di 160pl, mentre dalle misurazioni è stato evidenziato che le gocce stampate dagli ugelli che si trovano agli estremi dell’array di stampa risultano essere mediamente più piccole del 20%, mentre quelle che si trovano al centro mediamente più grandi del 65%. Ne risulta una differenza di volume, tra le gocce centrali e quelle periferiche, del 107%. Tuttavia, il volume medio delle gocce stampate risulta in linea con i dati di targa.
In seguito si è passati all’analisi della stampabilità di soluzioni contenenti fattori di crescita. Per poter stampare delle soluzioni diverse dall’inchiostro, la cartuccia è stata adattata, rimuovendo parte della copertura superiore ed eliminando il contenuto per lasciare scoperto il canale di collegamento tra il serbatoio di inchiostro e gli ugelli, nel quale è stato fissato un pozzetto realizzato utilizzando una pipetta da laboratorio.
Sono state preparate per diluizione delle soluzioni a concentrazioni note, a partire da una soluzione di fattori di crescita più concentrata. Le soluzioni, in quanto totalmente incolore, sono state colorate utilizzando una soluzione di colorante alimentare di colore blu, la cui percentuale volumetrica da aggiungere alle soluzioni con i fattori di crescita è stata determinata effettuando delle prove preliminari atte ad individuare la concentrazione minima di colorante in grado di permettere una buona osservabilità dei risultati al microscopio ottico.
Conclusioni
Il dispositivo realizzato permette di stampare immagini con risoluzione verticale compresa tra 92 e 97 DPI, e con una risoluzione orizzontale che può essere modificata da un minimo di 10 ad un massimo di 200DPI, anche se si raccomanda di non utilizzare risoluzioni superiori a 100DPI per ottenere immagini di buona qualità.
Il volume stampato dagli ugelli risulta irregolare a seconda dell’ugello considerato, in particolare le gocce possono arrivare a differire in volume fino al 107%. Questo rende difficilmente utilizzabile la funzione implementata che permette di stampare un volume noto di soluzione, tuttavia il volume indicato come medio nei dati di targa della cartuccia risulta verificato.
Le stampe effettuate con le soluzioni contenenti fattori di crescita hanno dato esiti positivi, poiché, nessuna delle soluzioni testate sembra aver dato problemi di stampabilità. Da un punto di vista della definizione della forma, le gocce mostrano un comportamento uniforme per concentrazioni superiori a 0,05mg/ml, pertanto è ipotizzabile che la stampabilità aumenti all’aumentare della concentrazione della soluzione.
Per quanto riguarda le applicazioni future di questo sistema di stampa, c’è da dire che l’implementazione della libreria Arduino utilizzata risulta particolarmente adatta all’utilizzo desiderato, poiché la possibilità di controllare ciascuno degli ugelli singolarmente può essere facilmente sfruttato per stampare immagini in formato di bitmap, come del resto è stato già fatto nel programma sviluppato per il controllo di questa semplice macchina.
Infine, ho redatto un breve manuale di istruzioni, al fine di rispondere ad eventuali dubbi sull’utilizzo del dispositivo da parte di chi si troverà in futuro ad utilizzarlo.
