Capitolo 4 Progettazione di un nuovo sistema per l’estrusione di strutture geliformi

95

Capitolo 4

Progettazione di un nuovo sistema

per l’estrusione di strutture

geliformi

L’analisi degli attuali sistemi di microfabbricazione ha permesso di selezionare la Pressure Activated Microsiringe (PAM) e la Piston Siringe come candidati ideali per la realizzazione di strutture geliformi controllabili in forma e dimensioni. Durante la descrizione di questo lavoro di tesi sono stati forniti i modelli che caratterizzano il funzionamento di questi sistemi e le strutture con esse realizzabili. Le modifiche apportate ai sistemi attualmente presenti al Centro Interdipartimentale di Ricerca ”E. Piaggio” hanno permesso di eseguire una prima analisi di fattibilità per la realizzazione di un nuovo concetto di scaffold, ovvero la produzione di strutture geliformi topologicamente definite. In seguito è stata modellizzata, misurata e verificata la possibilità di estrudere colture cellulari in sospensione nella soluzione polimerica al fine di realizzare delle strutture verosimiglianti e bioispirate a quelle presenti nella matrice extracellulare, sia nelle proprietà meccaniche che nella distribuzione spaziale delle cellule. Qui di seguito sarà esposto lo studio per la realizzazione di un sistema interamente dedicato alla realizzazione di scaffold geliformi inglobanti colture cellulari di varia natura, ponendo attenzione soprattutto alle caratteristiche meccaniche che dovrà offrire il sistema. Durante l’analisi delle specifiche progettuali per la realizzazione di strutture micro- e nanometriche geliformi, sarà illustrata la progettazione di un sistema in grado di superare i limiti presentati da quello attualmente in uso. Tale sistema dovrà prevedere la possibilità

96

di integrare diverse tecniche di microfabbricazione con lo scopo di realizzare sistemi di Prototipazione Rapida sempre più flessibili, prestanti e di costi contenuti.

4.1

L

’

Per la realizzazione di strutture micrometriche con superfici definite e dimensioni desiderabili è necessario utilizzare un sistema di microfabbricazione in grado di correlare la velocità di movimentazione del punto di estrusione con la pressione di estrusione del materiale. Tale correlazione è stata dimostrata in parte nei precedenti capitoli verificando come, mantenendo la pressione di estrusione costante, la dimensione delle linee deposte diminuisca con l’aumentare della velocità del piano di deposizione. Il prototipo utilizzato non consente però la dimostrazione dell’ipotesi che, mantenendo costante la velocità di movimentazione del piano, la dimensione delle linee deposte tenda ad aumentare con la pressione di estrusione del materiale. L’impossibilità di tale verifica è da ricondursi al sistema di controllo del motore stepper utilizzato per l’estrusione, tale controllo infatti non consente di imporre delle variazioni con un tempo di salita e una stabilizzazione utile rispetto al sistema di movimentazione della Pressure Activeted Microsiringe. Per la realizzazione di strutture geliformi miniaturizzate controllate nelle dimensioni di estrusione occorre considerare, oltre ai limiti di risoluzione delle variabili di controllo del prototipo utilizzato, i limiti dimensionali imposti dall’utilizzo di siringhe commerciali. Le siringhe commerciali infatti garantiscono qualità fondamentali per le tecniche di Prototipazione Rapida quali basso costo e facile reperibilità, nonché la peculiare caratteristica di sterilità necessaria con l’utilizzo di cellule. Gli aghi attualmente in commercio per siringhe sterili hanno diametri interni compresi tra 0.495 mm e 0.089 mm (rispettivamente 21 Gauge e 32 Gauge). Per la realizzazione degli scaffolds inglobanti cellule risulta necessario porre un vincolo dimensionale sulle dimensioni dell’ago dovuto alla dimensione delle cellule da estrudere. Pertanto in questo lavoro, considerato che le dimensioni di una cellula epatica sono comprese tra 0.05 mm e 0.1 mm, è stato scelto di utilizzare degli aghi sterili con diametro interno pari a 0.165 mm (29 Gauge). Gli aghi di tale misura risultano

97

inoltre facilmente reperibili in commercio, in quanto utilizzati per iniezioni di insulina, rispetto agli aghi di 30 e 31 Gauge. Come visto nel precedente capitolo variabili quali la dimensione degli aghi, la concentrazione di alginato in soluzione e la pressione di estrusione, garantiscono una distribuzione degli sforzi di taglio tale da non indurre alcun danno alla membrana cellulare delle cellule estruse.

Per i motivi suddetti è possibile affermare che un controllo più fine delle variabili del sistema di estrusione e valori più elevati della velocità di movimentazione, siano caratteristiche in grado di garantire un dimensionamento più accurato ed una migliore definizione delle superfici realizzate.

4.2

D

Lo studio svolto fino ad ora ha permesso la realizzazione di un prototipo per la microfabbricazione in grado di estrudere materiali con viscosità relativamente elevate. Il prototipo è stato ottenuto dall’integrazione modulare di un sistema di movimentazione ed uno di estrusione, progettati ed utilizzati in altre applicazioni; per questo motivo le variabili di controllo dei moduli utilizzati non risultano opportunamente dimensionate con i materiali utilizzati in questo lavoro di tesi. L’integrazione di questi due sistemi ha comunque permesso la definizione di un protocollo di fabbricazione in grado di consentire la realizzazione di strutture geliformi con topologia definita. Le strutture realizzate però risultano parzialmente controllabili in dimensioni e definizione delle superfici. Dalla modellazione del punto di estrusione, visto nel capitolo precedente, è possibile definire degli intervalli desiderabili entro cui far funzionare le variabili di controllo del sistema di microfabbricazione, al fine di ottenere linee di estrusioni dimensionate con le specifiche di realizzazione. Tali intervalli sono ricavati da valori caratteristici del materiale estruso e dalle dimensioni finali delle strutture deposte, ottenendo la correlazione desiderata tra pressione di estrusione e velocità di movimentazione del punto di uscita del materiale.

Il sistema di movimentazione utilizzato nel prototipo suddetto è in grado di muovere il punto di estrusione con velocità comprese tra 0 e 4.5 mm/s, garantendo una risoluzione in posizione di qualche µm; mentre il sistema di estrusione del

98

motore stepper (RS 440-420) in grado di fornire una coppia pari a 70·10-3 Nm è dotato di un controllo della velocità di rotazione (variabile DL). Per l’incompatibilità presentata dai driver utilizzati dal sistema di movimentazione con quello del motore per l’estrusione, non è stato inoltre possibile integrare il controllo delle variabili dei due sistemi e quindi promuovere variazioni correlate delle grandezze in gioco in tempo reale. L’impossibilità di imporre tali variazioni, concorrenti al dimensionamento delle linee di estrusione, ed i limitati intervalli di funzionamento della velocità di movimentazione e della pressione di estrusione forniti dai sistemi utilizzati non hanno permesso di identificare un accoppiamento ottimale per la realizzazione di linee di estrusione micrometriche per il prototipo in uso. La definizione del protocollo di fabbricazione ha pertanto consentito la realizzazione di strutture con dimensioni prossime al millimetro, cercando di correlare opportunamente la pressione di estrusione alla massima velocità di movimentazione del piano di estrusione garantita dal sistema Pressure Activated Microsyringe (e pari a 4.5 mm/s). Per questo motivo il lavoro di tesi si è concentrato sulla definizione di specifiche progettuali per la realizzazione di un nuovo sistema di microfabbricazione, in grado di combinare un sistema robotico per la movimentazione spaziale preciso ed accurato con un sistema controllabile per l’estrusione di materiali. In particolare tale sistema di microfabbricazione è stato progettato per avere un sistema di controllo molto flessibile con variabili di uscita comprese in intervalli relativamente ampi, ciò è necessario per consentire l’utilizzo materiali con caratteristiche chimico-fisiche e fluidodinamiche variabili. Inoltre è stato previsto di realizzare un sistema in grado di integrare diversi concetti di microfabbricazione, questo, unito alla possibilità di utilizzare materiali con diverse caratteristiche, risulta fondamentale per la realizzazione di strutture sempre più bioispirate sia nella topologia che nelle proprietà chimico-fisiche e meccaniche. Per soddisfare la specifica progettuale della movimentazione sono state analizzate le caratteristiche offerte dai sistemi robotici attualmente in commercio, cercando di porre l’attenzione su quelli in grado di offrire una velocità di funzionamento compresa entro un ampio intervallo insieme ad una elevata accuratezza e precisione della posizione. Per garantire i requisiti di posizionamento preciso ed accurato è necessario l’utilizzo di sensori in grado sia di soddisfare le specifiche

99

richieste, e tali da garantire tempi di lettura e di risposta a frequenze elevate. Quest’ultima condizione risulta necessaria per garantire un controllo della movimentazione, in posizione e velocità, eseguito in tempo reale. Il sistema di controllo inoltre scelto deve garantire la possibilità di interpolare le traiettorie curvilinee sugli assi x-y-z, presentando una frequenza di aggiornamento sufficientemente elevata per assicurare la realizzazione di traiettorie tridimensionali con elevato grado di precisione. Inoltre, da una valutazione dei carichi sopportati dal sistema robotico scelto, è stato possibile definire la struttura meccanica opportuna in grado di consentire l’utilizzo di un modulo per l’estrusione di materiali viscosi.

Dopo un’analisi strutturale e la verifica delle specifiche di movimentazione nello spazio controllabili in posizione e velocità è stata rivolta l’attenzione alla definizione delle caratteristiche del sistema di estrusione, concentrando l’attenzione anche in questo caso su sistemi flessibili, in grado di fornire pressioni e/o velocità variabili entro un intervallo sufficientemente ampio. Il controllo della pressione di estrusione, della risoluzione minima delle variazioni imposte ed il mantenimento costante delle pressione esercitata risultano essere fattori importanti per promuovere l’utilizzo di più materiali con tale sistema di microfabbricazione. Per realizzare un modulo di estrusione adattabile alle caratteristiche meccaniche e fluidodinamiche dei materiali da estrudere è stato scelto di utilizzare un attuatore lineare: questo sistema presenta la caratteristica fondamentale di fornire un ampio intervallo della variabile di uscita, in grado di imporre variazioni minime stabili in breve tempo e con elevata precisione, aspetto di fondamentale importanza per controllare l’estrusione di soluzioni liquide.

4.3

P

Per la realizzazione di un nuovo sistema per la Prototipazione Rapida sono stati analizzati diversi sistemi robotici di movimentazione in grado di fornire le specifiche progettuali richieste. La possibilità di un controllo di posizione e velocità con elevata precisione ed accuratezza, un mantenimento stabile delle variabili di controllo, ed un basso tempo di risposta per la correzione degli errori (sistema di controllo ad

100

anello chiuso) sono state le specifiche di maggiore rilevanza per la scelta del sistema motorizzato. Per ottenere queste caratteristiche le tavole di movimentazione lineare utilizzano motori brushless dotati o di encoder ottici rotazionali montati direttamente sul motore, oppure di encoder ottici lineari fissati opportunamente sulla slitta. Gli encoder ottici sono sensori in grado di restituire informazioni molto precise ed accurate di posizione; l’uscita digitale di questi sensori velocizza la trasmissione dei dati rilevati alla scheda di controllo, permettendo un’analisi ed una eventuale correzione di traiettoria con tempi di elaborazione ed uscita dell’ordine di qualche ms. L’utilizzo di questi sensori può consentire un aumento della risoluzione di lettura della grandezza in ingresso attraverso una elaborazione software, aumentando notevolmente le prestazioni del sistema.

Gli encoder rotazionali permettono un controllo della movimentazione con letture direttamente sulla posizione di rotazione del motore brushless, consentendo una rapida lettura della posizione del motore ed una comunicazione veloce al sistema di controllo, garantendo quindi ottima precisione ed accuratezza ottenuta quasi in tempo reale. Tuttavia letture eseguite sull’albero motore non considerano errori di posizione principalmente dovuti ai collegamenti tra motore e slitta lineare, al gioco presente tra diverse componenti meccaniche, ed alle perdite di carico nella linea di trasmissione. Per eliminare questi inconvenienti sono stati progettati gli encoder lineari, sensori di posizione ottici montati direttamente sulla slitta lineare. Questi sensori consentono di eseguire letture di posizione direttamente lungo l’asse di moto, controllando in modo molto più preciso le traiettorie imposte dal controllo al sistema di movimentazione. Inconveniente di questi sensori è l’elevato costo, che cresce esponenzialmente con la precisione di lettura garantita e la corsa di lettura. Altro fattore che può influire sul tempo di risposta del sistema è la corsa lineare del sensore, all’aumentare dell’intervallo di lettura è presente un incremento del numero di bit necessari per la lettura: ciò comporta maggiore complessità computazionale ed una elaborazione più lunga, fattori che aumentano i tempi di risposta del sistema.

La tavola selezionata per garantire un buon compromesso per le specifiche progettuali presentate precedentemente è la ATS115 prodotta da Aerotech1. Questa tavola è dotata di un motore brushless con encoder rotazionale a 5000 linee

101

(BMS60-A-D25-E5000H) in grado di garantire nella direzione di moto lineare una risoluzione di posizione nominale di 0.5 µm, una ripetibilità di ± 1 µm ed accuratezza pari a ± 6 µm. La slitta è inoltre in grado di muovere nel piano con velocità nominali controllabili e comprese tra 0 e 300 mm/s; è possibile ridurre la velocità massima di movimentazione per ottenere risoluzione, ripetibilità ed accuratezza minori. Inoltre la slitta è in grado di sopportare carichi ortogonali all’asse di movimento fino a 392 N (40 Kg), e lungo l’asse di movimento di 178.36 N (18.2 Kg). I valori di carico massimo sono molto importanti per l’integrazione del modulo di estrusione, i carichi sopportati da questa slitta consentono di montare sulla tavola moduli di estrusione con massa complessiva (attuatore, serbatoio e materiale da estrudere) fino a 15 Kg, evitando di far lavorare il sistema in zona critica.

Per garantire prestazioni in tempo reale è stato scelto un sistema di controllo ad anello chiuso (retroazione dell’encoder) per i tre assi ortogonali x-y-z fornito sempre da Aerotech, il controllore EnsembleTM 1. Tale sistema di controllo è in grado di interpolare traiettorie lineari o circolari dei tre assi in modo sincronizzato con frequenza di aggiornamento dati di 20 kHz, inoltre presenta una caratteristica fondamentale di mantenere costante la velocità imposta per tutta la durata della traiettoria. Il sistema di controllo inoltre possiede 4 Digital Input e 6 Digital Output, nonché è dotato anche di 1 Analog I/O; permettendo di integrare informazioni provenienti da altri sistemi esterni sensorizzati. Per velocizzare la comunicazione macchina, sistema di controllo e software, è possibile interfacciare il sistema con un collegamento Ethernet oppure, per diminuire ulteriormente i tempi di comunicazione dati, con una porta Fireware. Il software di controllo è dotato di un programma che permette di implementare direttamente le traiettorie che dovrà eseguire il sistema robotico, è inoltre possibile importare le traiettorie da eseguire direttamente da file in formato .dxp. Questa opzione risulta particolarmente significativa, consentendo la realizzazione di strutture biologiche analizzate con microscopio e successivamente convertite con un qualsiasi software CAD in formato .dxp.

Dopo la scelta del sistema robotico per la movimentazione nel piano è stato necessario progettare una struttura meccanica in grado di mantenere in squadra

102

perfettamente ortogonale le slitte selezionate. Tale struttura deve garantire stabilità al sistema, eliminando eventuali sollecitazioni dovute al funzionamento delle slitte. Possibilmente, per garantire la risoluzione e l’accuratezza di movimentazione nominale, la struttura non deve presentare particolari frequenze di risonanza meccanica che si inseriscano nella banda di controllo del sistema. Frequenze di risonanza meccanica esterne alla banda di controllo possono essere tagliate a livello software con l’utilizzo di appositi filtri digitali.

La struttura meccanica deve presentare un alloggiamento per il contenitore del materiale da estrudere e per il modulo di estrusione. Come già impiegato nel prototipo modulare per la microfabbricazione utilizzato nella realizzazione di questo lavoro di tesi, si vuole utilizzare un contenitore sterile, di basso costo e facilmente reperibile anche nel nuovo sistema di microfabbricazione; per questo motivo la scelta è nuovamente ricaduta sulle siringhe sterili commerciali. Per controllare l’estrusione del materiale caricato nella siringa sono stati selezionati gli attuatori lineari di ultima generazione come sistemi in grado di soddisfare le richieste progettuali. Tali attuatori presentano dimensioni e peso ridotti che non vanno a gravare sulla stabilità della struttura, inoltre sono dotati di un sistema di controllo relativamente semplice basato sul controllo della velocità di spinta dell’attuatore. Pertanto, con una opportuna modellazione del sistema di estrusione, è possibile controllare la forza di estrusione con buona precisione e con tempi di controllo sufficientemente bassi per garantire variazioni della pressione di estrusione in tempo reale. La grandezza caratteristica, quale la forza di estrusione, permette inoltre di modificare la pressione di estrusione in base alla superficie offerta dal pistone della siringa utilizzata promuovendo un utilizzo sempre più flessibile per l’estrusione controllata di materiali con caratteristiche fluidodinamiche variabili. In particolare per la progettazione del nuovo sistema è stato selezionato l’attuatore lineare Z625B realizzato da Thorlabs2, compatibile con il controllore EnsembleTM utilizzato con il sistema di movimentazione. L’attuatore scelto monta un motore brushless con encoder rotazionale in grado di garantire una corsa di 25 mm, una risoluzione di posizione di 40 nm ed una ripetibilità <8 µm per rpm; inoltre è possibile controllare la velocità di movimentazione della vite, compresa tra 50 µm/s e 0.4 mm/s, per trasmettere la forza di estrusione al pistone della siringa.

103

Riassumendo, il nuovo sistema per la movimentazione dovrà presentare le seguenti caratteristiche:

• corsa di 100 mm;

• velocità massima raggiungibile 300 mm/s;

• controllo con interpolazione delle traiettorie nei tre assi di movimentazione; • motore brushless con encoder rotazionale per garantire risoluzione di 0.5

µm, accuratezza di ± 6 µm e ripetibilità di ± 1 µm.

Mentre il sistema per l’estrusione sono state individuate le specifiche: • corsa di 25 mm;

• velocità massima 425 µm/s;

104

Bibliografia

1. www.aerotech.com 2. www.thorlabs.com