UNIVERSITÀ DI PISA
Scuola di Ingegneria
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Biomedica
Tesi di Laurea Magistrale
Progettazione e realizzazione di un sistema di
microfabbricazione multimateriale e multiscala
Relatori:
Ing. Giovanni Vozzi
Ing. Carmelo De Maria
Candidato:
Aurora De Acutis
La costruzione di un tessuto bioartificiale, secondo i principi della ingegneria dei tessuti (Tissue En-gineering, TE ), ha inizio con la progettazione e la costruzione di scaffold, ovvero strutture artificiali in materiali biocompatibili e bioassorbibili, capaci di mimare la matrice extracellulare, (Extracellular Matrix, ECM ), guidando la formazione di tessuti tridimensionali (3D).
Un tessuto biologico può essere visto come un materiale composito che possiede un’architettura e un’organizzazione spaziale caratterizzata da una struttura gerarchica a partire dalla scala nanometrica fino a quella millimetrica strettamente correlata alle funzioni dei tessuti stessi. Per questo motivo, molti studi di ricerca si sono focalizzati nel realizzare scaffold multimateriale processati su scale multiple, con adeguate proprietà meccaniche e strutturali, capaci di fornire condizioni ottimali per l’adesione e proliferazione cellulare. A livello nanometrico, questi scaffold devono presentare una vasta area superficiale per la distribuzione di ligandi e siti di adesione, promuovendo lo sviluppo dell’espressione fenotipica desiderata per la rigenerazione di un tessuto funzionale; a livello micrometrico, occorre che questi esibiscano una struttura porosa che permetta un’adeguata perfusione di nutrienti, la rimozione dei prodotti di scarto del metabolismo cellulare e la possibilità di sviluppare una rete capillare, attraverso l’innesco di processi angiogenici.
Le proprietà dello scaffold dipendono sia dalla scelta dei materiali sia dalle tecniche di microfabbrica-zione.
La ricerca si è concentrata su materiali polimerici, sintetici e naturali tipicamente in forma di idrogel, su materiali bioceramici e su tecnologie di fabbricazione additiva legate al mondo della prototipazione rapida (Rapid Prototyping, RP ). Queste tecnologie consentono di realizzare scaffold attraverso processi di progettazione assistita da computer (Computer-Aided Design, CAD ) e fabbricazione assistita dal compu-ter (Compucompu-ter-Aided Manufacturing, CAM ) in modo da permetcompu-tere un controllo della loro architettura con risoluzione micrometrica. Per migliorare la biocompatibilità strutturale di RP scaffold può essere introdotta una rete di nano-micro fibre in grado di fornire un elevato rapporto superficie/volume neces-sario a favorire l’adesione cellulare. Ad oggi, l’elettrospinnig è una delle tecnologie più utilizzate per la produzione di nanofibre.
Molti gruppi di ricerca hanno ottenuto con successo scaffold multimateriale o multiscala sfruttando processi di microfabbricazione ibridi; nella gran parte dei casi si tratta di processi sequenziali che utilizzano sistemi indipendenti per l’applicazione delle tecniche di micro o nano fabbricazione necessarie. Si tratta però di processi lunghi e delicati che posso mettere a rischio la struttura in fase di costruzione. In altri casi invece sono stati realizzati sistemi robotizzati, per lo più posizionatori di tipo cartesiano, che prevedono il cambio del tool di microfabbricazione, invece che lo spostamento dell’oggetto in lavorazione.
Seguendo quest’ultimo approccio, questo lavoro di tesi si è focalizzato sulla progettazione e realizzazione di un sistema robotizzato di microfabbricazione multiscala e multimateriale per la realizzazione di scaffold.
Il lavoro di progettazione è stato strutturato nelle seguenti fasi: Definizione delle specifiche progettuali;
Dimensionamento geometrico e dinamico;
Modellizzazione CAD del manipolatore e dei relativi tool per microfabbricazione; Realizzazione del prototipo e test di validazione.
A partire dallo studio della letteratura sui manipolatori robotici disponibili, è stato stato selezionato un manipolatore con architettura parallela. L’interesse per questo tipo di struttura, nonostante la complessità
delle equazioni della cinematica diretta che rende difficoltosa la fase di progettazione e di controllo, deriva dal fatto che i robot paralleli costituiscono una valida alternativa alla classiche macchine seriali, soprattutto per quei compiti in cui sono richieste ottime prestazioni in termini di dinamica, precisione e accuratezza. Nello specifico, la scelta si è orientata verso un’architettura Maryland, un manipolatore parallelo a 3 gradi di libertà. La sua struttura è caratterizzata tre catene cinematiche identiche collegano la base alla piattaforma mobile. Ognuna di queste è formata da un braccio inferiore ed un braccio superiore collegati tra loro fra loro con un giunto rotoidale. Questo manipolatore ha un design è molto simile a quello del robot Delta, ma presenta come elemento innovativo, la presenza di parallelogrammi articolati in ogni catena cinematica (ciascuno dei quali è costituto da due link orizzontali ed due di off-set) che conferiscono all’organo terminale, solo i 3 gradi di libertà traslazionali; inoltre il manipolatore Maryland è costruito utilizzando solo giunti rotoidali, rendendo la struttura economicamente realizzabile e più rigida.
Per quel che riguarda le tecnologie da integrare all’interno del manipolatore per realizzare strutture funzionali; questo lavoro di tesi è stato orientato verso la combinazione del modulo di estrusione a pressione e un modulo di estrusione a siringa, derivate dal sistema PAM2 con l’elettrospinning.
Il modulo per estrusione a pressione è adatto a processare soluzioni polimeriche a bassa viscosità e prevede una siringa commerciale da 5 ml dotata di un ago standard. La deposizione di materiale avviene mediante l’applicazione di una pressione controllata attraverso un regolatore di pressione. Il modulo di estrusione a pistone prevede l’estrusione di materiale, in modo indipendente, attraverso due siringhe. Due motori stepper verrano utilizzati per abbassare lo stantuffo delle siringhe mantenendo costante la portata volumetrica in uscita da degli appositi ugelli. Uno dei vantaggi nell’uso di questo modulo è che grazie a esso può essere deposta una vasta gamma di materiali, tra cui idrogel con elevata viscosità consentendo di realizzare strutture composite.
Il modulo per l’elettrospinning, invece, comprenderà una siringa porta soluzione, una pompa volume-trica per dosare il flusso, un generatore di alta tensione e in fine un collettore messo a terra per la raccolta di fibre. Il modulo per elettrospinning verrà adottato per elettrofilare fibre polimeriche sugli scaffold.
Una specifica di progetto importante, dalla quale dipende gran parte della progettazione, è la defini-zione dello spazio di lavoro del manipolatore ossia la regione raggiungibile dall’elemento terminale. Per le applicazioni per cui il manipolatore è stato pensato, è stato stimato necessario un volume un cubico con lato di 200 mm.
Dal punto di vista dinamico è stato definito il carico in punta del manipolatore tenendo conto del contributo della piattaforma e dei vari tool; questo carico è stato stimato circa 60 N da equipartire sulle tre catene cinematiche del robot.
Una velocità di 600 mm/sec, tipica di questa categoria di manipolatori, è stata definita come specifica. Sempre nella fase di definizione delle specifiche sono stati fissati vincoli sulla scelta materiali con cui realizzare i link ed i giunti del manipolatore; tenendo presente che questo sistema potrà essere immerso in un campo elettrico, nel momento in cui sarà utilizzato (con il tool appropriato) per elettrofilare soluzioni polimeriche, i materiali dovranno avere caratteristiche isolanti.
Nella fase di sintesi dimensionale, a seguito della scelta della struttura, sono stati stabiliti tutti i para-metri geopara-metrici e dinamici del manipolatore. Il problema di sintesi dimensionale è risultato notevolmente complesso sia per la complessità delle funzioni matematiche coinvolte sia per l’elevato numero di variabili da considerare. Partendo dalla specifica relativa allo spazio di lavoro, avvalendosi del software CuikSuite, algoritmi ad hoc basati sulla cinematica inversa, sono stati implementati per determinare la lunghezza ottimale dei vari link che costituiscono ciascuna braccio del robot. L’approccio per valutare la lunghezza
ottimale dei link (braccio superiore e i link che costituiscono il parallelogramma articolato), è stato quello di fissare il range di variazione angolare dei giunti attuati, selezionare dei set di dimensioni di prova e valutare se il robot era capace di raggiungere i punti limite dello spazio di lavoro. Il set di dimensioni selezionato è stato quello che ha consentito al manipolatore di raggiungere i punti limite dello spazio di lavoro con la maggior destrezza e il minimo ingombro strutturale. Queste dimensioni prevedono una base fissa triangolare di lato 350 mm, una piattaforma mobile triangolare di lato 250 mm, un braccio superiore di 150 mm, uno inferiore di 300 mm e un link di off-set di 130 mm. Inoltre modellando ciascuna gamba con un meccanismo biella manovella, attraverso un’analisi statica, è stato possibile individuare le condizioni di area minima che il braccio inferiore e superiore devono soddisfare per resistere ad un carico di 60 N sulla piattaforma.
Prima di passare ad un dimensionamento dinamico del sistema, è stato realizzato il modello della cinematica delle velocità per poter ricavare la matrice Jacobiana del manipolatore in questione.
In questo lavoro di tesi per calcolare la matrice Jacobiana specifica per il manipolatore Maryland sono state derivate nel tempo un set di equazioni di vincolo che legano variabili nello spazio cartesiano e variabili nello spazio dei giunti; questo è stato possibile sostituendo il parallelogramma articolato che costituisce ciascun braccio inferiore con semplici aste, e sostituendo la piattaforma con un punto P (il centro della piattaforma) senza alterare il comportamento cinematico del robot.
I valori di accelerazioni, di velocità così come le variabili di giunto e la matrice Jacobiana sono stati essenziali per implementare un modello dinamico del manipolatore; in questo modo è stato possibile ricavare un modello di dinamica inversa che restituisce la coppia che gli attuatori devono fornire per fare eseguire alla piattaforma mobile una determinata traiettoria.
Il modello dinamico inverso di un robot parallelo può essere calcolato con metodi diversi. In questo lavoro di tesi è stata eseguita la modellazione dinamica del manipolatore Maryland sfruttando la legge di Newton-Eulero e il principio dei lavori virtuali. Il problema dinamico è stato semplificato, trascurando le inerzie, gli attriti e riducendo il robot a 4 corpi, la piattaforma mobile e i bracci superiori, grazie ad una opportuna ridistribuzione della massa di ciascun braccio inferiorire.
A questo punto per risolvere il problema dinamico inverso, il calcolo del contributo sui giunti attivi di ciascuna coppia/forza che agisce sulla piattaforma e di ciascuna forza/coppia che agisce sul braccio superiore è stato eseguito con l’aiuto della matrice Jacobiana, secondo il principio dei lavori virtuali. Infine sfruttando principio di d’Alembert, secondo il quale il contributo di tutte le forze inerziali deve essere uguale al contributo di tutte le forze non inerziali, è stato possibile determinare la coppia che gli attuatori devono essere in grado di fornire sui giunti attuati.
A partire dai dati ottenuti dal dimensionamento, è stato realizzato un modello CAD del manipolatore. I materiali che sono stati selezionati per realizzare le varie componenti del modello sono il Macor, Derlin e fibra di carbonio; mentre dei giunti articolati commercialmente disponibili e dei cuscinetti sono stati selezionati per realizzare le 21 coppie rotoidali che caratterizzano il manipolatore. La modellizzazione CAD si è conclusa con la scelta degli gli attuatori ottimali per la specifica applicazione. Dopo aver risolto il modello dinamico inverso con i dati relativi al modello CAD progettato, tre motori caratterizzato da 3000 giri/min e 750W sono stati identificati come ottimali per fare eseguire alla piattaforma una determinata legge di moto con la massima velocità. Servomotori brushless R88M-K75030H/T della Omron rispettano queste specifiche.
Nella fase di prototipazione e test è stata assemblato un prototipo in scala rispetto al modello CAD con il quale è stata validato il modello della cinematica implementato. Il prototipo è strutturalmente identico
al modello, soltanto che le varie componenti sono realizzate o il legno o sono stampate in PLA con una stampante FDM PrusaI3. Gli attuatori che sono stati selezionati per la movimentazione del sistema sono motori servo SG5010; il loro controllo è stato realizzato tramite Arduino sfruttando la cinematica inversa del manipolatore Maryland. Il modello cinematico è risultato corretto, però, le vibrazioni dovute al fissaggio della struttura meccanica e i possibili errori di montaggio hanno determinato una non ottimale accuratezza nel posizionamento.
La gestione della movimentazione del manipolatore in queste prove è avvenuta tramite una interfaccia grafica implementata in Matlab.
Lo sviluppo del tool per l’estrusione a siringa si è concertato su l’utilizzo di sistemi di estrusione che sono stati derivati da modelli resi disponibili dalla Fab@Home, mentre lo sviluppo del tool di estrusione guidata da pressione si è concentrato su l’utilizzo di estrusori commerciali.
Per verificare il corretto funzionamento del tool di estrusione a siringa, sono state realizzate strutture con un idrogel polipeptidico ad alta viscosità sintetizzato all’università di Manchester.
Sfruttando il sistema di movimentazione del sistema PAM, è stata eseguita la deposizione di materiale su un vetrino da laboratorio seguendo uno specifico pattern a griglia. Per gli esperimenti sono stati usati aghi con dimensioni di 20 G opportunamente molati e levigati.
Sono state fatta varie prove di deposizione al variare del flow-rate e della velocità del piano di deposizione, ma anche variando le dimensione della griglia che costituisce il pattern.
Il risultato ottenuto sono strutture precise in grado di mantenere la propria topologia nel tempo. In conclusione, in questo lavoro di tesi è stato progettato un manipolatore Maryland per microfab-bricazione di scaffold multimateriale e multiscala attraverso la combinazione di estrusione a pressione, estrusione a siringa ed elettrosping. In particolare è stata eseguita tutta la parte relativa, al dimensio-namento strutturale e degli attuatori, grazie a modelli cinematici e dinamici implementati ad hoc per l’architettura Maryland. Partendo dal modello CAD realizzato, è stato realizzato un prototipo in scala per validare il modello cinematico eleborato; su questo prototipo sono stati effettuati test di ripetibilità.
I risultati ottenuti sono solamente un punto di partenza per la realizzazione di un prototipo tecnico la cui funzionalità potrà essere utilizzata per la realizzazione di scaffold multimateriali e multiscala bioispirati.
