3D Scaffolds. Membrane Lamination

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1 3D Microfabrication Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Biomedica Tecniche di Microfabbricazione Pisa, 22 aprile 2008

2 3D Scaffolds Membrane Lamination 3D Printing Laser Sintering Photopolymerization Fused Deposition Modeling 3D Bioplotter Pressure Assisted Microsyringe

3 Aspetti principali Processo tecnologico Materiali processabili Risoluzioni spaziali ottenibili Limiti

4 3D Scaffolds Membrane Lamination 3D Printing Laser Sintering Photopolymerization Fused Deposition Modeling 3D Bioplotter Pressure Assisted Microsyringe

5 Membrane Lamination Optical system Laser Micropositioner Cutted membranes Lamination seam Memabrane stack Membranes Platform

6 Membrane Lamination spessore della membrana, z risoluzione movimento CAD/CAM ampiezza/potenza raggio laser sensibilità dei materiali (polimeri bioerodibili, bioceramici) al raggio laser

7 Risultati Strutture ottenute: Risoluzione 150µm; Rimozione delle parti in eccesso; Problema delle cavità. Reischmann et al (2001)

8 3D Scaffolds Membrane Lamination 3D Printing Laser Sintering Photopolymerization Fused Deposition Modeling 3D Bioplotter Pressure Assisted Microsyringe

9 3D TM Printing z

10 3D TM Printing spessore di deposizione del materiale, z z risoluzione movimento CAD/CAM dimensione dei grani del materiale dimensione ugello di uscita del solvente viscosità del solvente

11 Risultati Strutture ottenute: Cima et al (1996) Risoluzione µm; Presenza di grani polimerici non rimossi; Eccesso di solvente.

12 3D Scaffolds Membrane Lamination 3D Printing Laser Sintering Photopolymerization Fused Deposition Modeling 3D Bioplotter Pressure Assisted Microsyringe

13 Laser sintering Laser Scanner System Powder bed Release of Powder Piston

14 Laser sintering spessore di deposizione del materiale, z risoluzione movimento CAD/CAM ampiezza/potenza del raggio laser dimensione dei grani

15 Risultati Strutture ottenute: Risoluzione µm; Presenza di grani polimerici; Eccesso di solvente. Berry et al 1997

16 3D Scaffolds Membrane Lamination 3D Printing Laser Sintering Photopolymerization Fused Deposition Modeling 3D Bioplotter Pressure Assisted Microsyringe

17 Photopolymerization Mirror Laser Lens Non photopolymerized gel Photopolymerized gel Piston

18 Photopolymerization risoluzione movimento CAD/CAM ampiezza/potenza del raggio laser sensibilità del fotopolimero

19 Risultati Strutture ottenute: Risoluzione 1-10µm; materiale nonbiocompatibile. Kawata et al 2001

20 3D Scaffolds Membrane Lamination 3D Printing Laser Sintering Photopolymerization Fused Deposition Modeling 3D Bioplotter Pressure Assisted Microsyringe

21 Fused Deposition Modeling Filament Seams FDM head Heater X-Y axis Noozle Platform Z axis

22 Fused Deposition Modeling spessore di deposizione del materiale, z Platform Z axis risoluzione movimento CAD/CAM temperatura di fusione del materiale, viscosità del materiale (T) temperatura del piano di deposizione

23 Risultati Strutture ottenute: Risoluzione 30-50µm; alterazione delle proprietà chimicofisiche dei polimeri. Teoh SH et al 2001

24 3D Scaffolds Membrane Lamination 3D Printing Laser Sintering Photopolymerization Fused Deposition Modeling 3D Bioplotter Pressure Assisted Microsyringe

25 Bioplotter

26 Bioplotter

27 Bioplotter spessore di deposizione del materiale, z risoluzione movimento CAD/CAM dimensioni dell ugello viscosità del materiale

28 Risultati Strutture ottenute: Risoluzione µm; biopolimeri solubili in solventi altamente volatili. Mullhaupt et al 2000

29 3D Scaffolds Membrane Lamination 3D Printing Laser Sintering Photopolymerization Fused Deposition Modeling 3D Bioplotter Pressure Assisted Microsyringe

30 PressureAssisted Micro-syringe AD/DA Board Pressure regulator Micro-positioner Computer Power supply Motor control board Laser Sensor IRIS

31 Pressure Assisted Micro-syringe Compressed Air Electronic pressure regulator Stepper motor and pressure regulator control system Microsyringe Micropositioner

32 Pressure Assisted Micro-syringe risoluzione movimento CAD/CAM dimensioni capillare di vetro viscosità del materiale controllo della pressione di estrusione

33 Risultati Strutture ottenute: Risoluzione µm; biopolimeri solubili in solventi altamente volatili. Ahluwalia et al (2002)

34 Sistemi CAD/CAM Movimentazione di un sistema meccanico motorizzato controllato via software: CAD(Computer Aided Design), implementazione delle traiettorie CAM(Computer Aided Manufacturing), realizzazione delle traiettorie implementate

35 Sistemi CAD/CAM Sistemi Prototipazione Rapida (RP) prevedono un controllo con feedback sulla terna XYZ: posizione velocità accelerazione

36 Sistemi CAD/CAM Motori rotazionali (stepper, brushless) sono i più utilizzati: basso costo facilità di controllo sensorizzati meccanismi di trasmissione efficienti

37 Esempio FDM (I) Sistema CAD/CAM, parametri di controllo: direzione della deposizione ( raster angle ) velocità di movimentazione dell ugello velocità di rotazione per il filamento Altri parametri di controllo: temperatura di fusione diametro dell ugello Platform Z axis

38 Esempio FDM (II) Materiale utilizzato PCL (poli-ε-caprolattone): polimero bioriassorbibile termostabile temperatura di fusione 60 C disponibile in commercio come filamento (Aldrich Chemical Company Inc., diametro filamento 1.7 mm)

39 Studio di fattibilità: Esempio FDM (III) Temperatura di fusione e velocità dei rulli (pressione di uscita del materiale) direttamente influenti sulla deposizione del materiale. Mantenendo fissi dei parametri (v ugello =6.35 mm/s, d ugello =254 µm) si determinano gli altri al fine di ottenere una portata volumetrica costante in uscita dall ugello: ottimizzazione della temperatura e della velocità dei rulli al fine di ottenere linee di 254 µm T= 125 C, v rullo =0.005 rps

40 Esempio PAM (I) Parametri di controllo: dimensioni diametro capillare di vetro controllo della pressione di estrusione velocità del capillare di vetro viscosità del materiale estruso

41 Esempio PAM (II) Andamento della linea di deposizione al variare della pressione di estrusione Line width (µm) Pressure (mmhg)

42 Esempio PAM (III) Andamento della linea di deposizione al variare della velocità di estrusione Width of pattern as a function of velocity of deposition width (mn) % PLLA 20% PCL velocity of depositon (mm/sec)

43 Esempio PAM (IV) Andamento della linea di deposizione al variare della viscosità del polimero (concentrazione del polimero) Width of pattern of PCL as a function of concentration 300 width ( µm ) mmhg % PCL 15% PCL 20% PCL

44 Caratterizzazione degli Materiali scaffolds Porosità (micro e macro) Bagnabilità Topologia Proprietà Meccaniche Stress-Strain Creep

45 Materiali Polimero Solvente Concentrazione Poly-(L-lactide acid) (PLLA) Chloroform 2% Poly-(ε-caprolactone) (PCL) Chloroform 20% Poly-(lactide-co-glycolide) Chloroform 20% (PLGA) PCL-PLLA Blend Chloroform 2.5% PLLA 20% PCL Poly-urethane synthesised by Chemical Engineering lab Chloroform 20% Sodium Alginate Water 7.5% 5M

46 Materiali ρ ρ ρ 100 = ρmaterial Porosità = material structure structure ρ material Macroporosità delle strutture 3D

47 Materiali Bagnabilitàintesa come interazione di permeabilità del fluido all interno della struttura tridimensionale. I fattori che influenzano la bagnabilità sono: la capillarità e l idrofilicità. 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.

48 Materiali Segnale registrato 2 fase V= 0.9V regime 0.1V regime Bagnabilità= V 1 fase t 2 t V (mv) I phase II phase V (mv) I phase II phase line width (µm) n. layer

49 Caratterizzazione Meccanica Polimeri utilizzati nelle diverse tecniche di fabbricazione sono 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. La caratterizzazione meccanica (stress-strain and creep tests) è effettuata con un trasduttore isotonico(ugo Basile 7006, Biological Research Apparatus).

50 Stress-Strain PLGA 2.5 Stress (MPa) PLGAsquare90 PLGAsquare130 PLGAoctagonal90 PLGAhezagonal130 PLGAhexagonal90 PLGAoctagonal Strain

51 Stress-Strain PCL stress (MPa) PCL square 90 PCL hexagonal 90 PCL octagonal 90 PCL square 130 PCL hexagonal 130 PCL octagonal strain

52 Moduli Elastici Spessore della linea 10 µm 30 µm Multistrato / Topologia

53 Moduli Elastici Octagonal Young modulus (MPa) Square Hexagonal PCL PLGA Blend film line width (mm)

54 Creep 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 0 square grid hexagonal grid octagonal grid Strain time (min)

55 Nanotecnologie Micro-Nano Bioprinting Nano Deep Pen

56 Nano Bioprinting Funzionalizzazione di vetrini per la promozione dell adesione focale delle cellule Liu, V. & Bhatia, S.

57 Risultati

58 OrganBioprinting

59 OrganBioprinting

60 OrganBioprinting 1. Pre-processing 2. Processing 3. Post-processing Pre-processing, acquisizione immagini biologiche: 1. Tecniche RMI, TAC, ; 2. Modelli matematici, determinazione delle regole per la disposizione spaziale delle cellule.

61 OrganBioprinting 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

62 OrganBioprinting

63 OrganBioprinting Verifica (come annunciato da modelli matematici predittivi) che la vicinanza ed il tipo cellulare sviluppano un processo di self-assembly, formando dei tubi simili ai capillari.

64 Funzionamento Testine InkJet Serbatoio per inchiostro collegato con microcanali agli ugelli, uscita dell inchiostro promossa da due tipi di tecnologie controllate: termoresistore (sviluppato da Canon) piezoelettrico (sviluppato da Epson)

65 Funzionamento Testine InkJet Termoresistore, bolla di gas i volume noto nel canale tra serbatoio e ugello. Variazioni di temperatura, controllate dal termoresistore, impongono variazioni di volume della bolla. T Pressione esercitata dalla bolla induce l uscita della goccia

66 Funzionamento Testine InkJet Necessita l utilizzo di un inchiostro termoresistente. La temperatura di riscaldamento/raffreddamento della bolla regola la velocità del processo T

67 Funzionamento Testine InkJet Piezoelettrico, tecnologia elettromeccanica per indurre pressioni sull inchiostro guidandone la fuoriuscita dall ugello. Applicazione di un campo elettrico induce la deformazione del piezoelettrico. La frequenza di stimolazione del piezoelettrico controlla la velocità del processo per l uscita dell inchiostro dagli ugelli.