IT201800005065A1 - Apparato combinato di elettrofilatura e microestrusione. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Apparato combinato di elettrofilatura e microestrusione"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce in generale alle tecniche di nano- e microfabbricazione nell’ambito del settore dell’ingegneria tessutale.

L’ingegneria tessutale è una scienza multidisciplinare che ha come obiettivo la creazione di sostituti biologici funzionali e biocompatibili, in grado di ripristinare la funzione di un organo o di un tessuto danneggiato ed eventualmente sostituirlo. Il summenzionato tessuto biologico può essere considerato come una struttura eterogenea con una topologia definita da elementi alla nano- e microscala.

Poiché i tessuti biologici sono costituiti da elementi alla micro- e nanoscala, una struttura (o scaffold) in grado di poterli sostituire o riparare ha la necessità di essere composta da differenti tipologie di materiali, processati su scale multiple, con adeguate proprietà meccaniche e strutturali, capaci di mimare l’ambiente fisiologico. L’introduzione di elementi alla nanoscala è necessaria per aumentare il rapporto superficie-volume di una struttura, favorendo l’adesione delle cellule, garantendone la proliferazione.

Differentemente gli elementi alla microscala definiscono lo spazio tridimensionale in cui viene garantita l’eliminazione dei prodotti di scarto cellulare e un buon afflusso di nutrienti.

Al fine di garantire le summenzionate caratteristiche all’interno di una struttura, differenti tipologie di materiali devono essere processate mediante tecniche differenti che garantiscano diversità nella scala di risoluzione spaziale all’interno della struttura stessa.

Attualmente l’uso di tecnologie di fabbricazione additiva è uno degli approcci più promettenti per la fabbricazione di scaffold con architettura controllata, tramite l’uso di un’ampia gamma di materiali naturali o sintetici. Con le tecnologie basate sul suddetto approccio, partendo da un modello tridimensionale realizzato tramite un software CAD (Computer-Aided Design) è possibile realizzare una struttura mediante la fabbricazione assistita da computer (Computer-Aided Manufacturing, CAM), che consente la costruzione della stessa mediante la deposizione strato dopo strato di materiale fino alla sua completa realizzazione. Questo approccio è noto in letteratura anche come Bioprinting.

Di grande interesse sono le strutture ibride ottenute mediante la combinazione delle tecniche di fabbricazione additiva con la tecnologia di elettrofilatura, la quale consente di ottenere filamenti continui di materiale con diametro inferiore al micrometro mediante l’uso di un campo elettrostatico, che determina lo stiramento, l’allungamento, e la diminuzione della sezione del materiale in lavorazione. La presenza del suddetto campo elettrostatico, durante l’uso della tecnica di elettrofilatura, determina la difficoltà principale nel realizzare un dispositivo che possa combinare tale tecnica con la tecnologia di estrusione. Questo fattore rende necessario l’uso di schermature su qualsiasi componente che può comportare una perturbazione di campo elettrico o compromettere la funzionalità dello stesso. Inoltre, l’uso di materiali non conduttivi e appropriate distanze progettuali dei vari elementi del dispositivo si rendono necessari per evitare qualsiasi interazione con il campo elettrostatico generato.

Sono noti diversi dispositivi che sfruttano le tecniche di elettrofilatura e di estrusione con stazioni di processamento distinte, che limitano la qualità della struttura da realizzare, il cui processo di costruzione viene continuamente interrotto poiché i suddetti dispositivi devono spostare automaticamente il piano di lavoro tra le varie stazioni presenti per poter combinare le summenzionate tecniche di fabbricazione. Tale presenza di stazioni di processamento distinte all’interno dei suddetti dispositivi aumenta lo spazio d’ingombro della macchina oltre che i tempi di lavoro, rischiando di perturbare la struttura in fase di realizzazione.

È pertanto avvertita la necessità di avere dei dispositivi di fabbricazione in grado di combinare diverse tecniche nello stesso spazio di lavoro, evitando l’uso di dispositivi distinti, e l’obbligo di dover spostare il pezzo in costruzione dallo spazio di lavoro di un dispositivo in quella di un altro dispositivo.

Forma pertanto oggetto dell'invenzione un apparato combinato di elettrofilatura e microestrusione, comprendente

un manipolatore robotico dotato di una pluralità di gradi di libertà,

un effettore finale supportato e movimentabile dal manipolatore robotico,

una pluralità di estrusori alloggiati sull’effettore finale, ciascuno di detti estrusori essendo provvisto di un ugello intercambiabile per l’estrusione di almeno un materiale,

un piano di lavoro configurato per la deposizione del materiale estruso,

un circuito pneumatico configurato per alimentare un flusso di fluido agli estrusori per controllare l’estrusione del materiale, e

un generatore elettrico selettivamente attivabile per applicare una differenza di potenziale fra gli ugelli degli estrusori e il piano di lavoro, per cui gli estrusori sono in grado di operare selettivamente in modalità di microestrusione con generatore elettrico inattivo o in modalità di elettrofilatura con generatore elettrico attivo, in maniera indipendente l’uno dall’altro.

La suddetta invenzione risolve il problema della presenza di stazioni distinte nello stesso dispositivo poiché i summenzionati estrusori multipli sono alloggiati sull’unico effettore finale del manipolatore robotico. Gli estrusori comprendono ugelli intercambiabili che consentono, mediante una semplice e veloce loro sostituzione, una variazione di scala della risoluzione spaziale della struttura da realizzare, anche durante il processamento della stessa. In modalità microestrusione è possibile ottenere strutture con dimensioni caratteristiche fino all’ordine del micrometro (10-100 micron), mentre in modalità elettrofilatura è possibile ottenere strutture nanofibrose con diametro della fibra di circa 50-100 nanometri.

La possibilità di processare mediante la tecnica di microestrusione ed elettrofilatura sfruttando un’unica stazione consente di incrementare la velocità di fabbricazione e poter combinare tali tecniche in maniera semplice e veloce senza dover spostare la struttura in fase di realizzazione.

Inoltre, l’elevata mobilità del manipolatore nello spazio dà la possibilità di realizzare strutture differenti contemporaneamente sullo stesso piano di lavoro.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione diverranno più chiari con la seguente descrizione dettagliata di una forma di attuazione del trovato, fatta con riferimento ai disegni allegati, forniti a titolo puramente illustrativo e non limitativo, in cui

la figura 1 è una vista prospettica di un manipolatore robotico di un apparato secondo l’invenzione;

la figura 2 è una vista in elevazione laterale del manipolatore di figura 1;

la figura 3 è una vista prospettica del manipolatore all’interno di una struttura di isolamento;

le figure 4 e 5 sono viste prospettiche, rispettivamente dal basso e dall’alto di un effettore finale del manipolatore di figura 1;

la figura 6 è uno schema a blocchi di un apparato secondo l’invenzione; e

la figura 7 è una vista in sezione dell’effettore delle figure 4 e 5.

Con riferimento inizialmente alle figure 1 e 2, un apparato di microestrusione e elettrofilatura comprende un manipolatore robotico 10, che nella forma di realizzazione illustrata si basa su un sistema robotizzato con un’architettura di tipo parallela, in grado di garantire precisione e velocità nei movimenti nel suo effettore finale 20, indicato di seguito nel testo anche come piattaforma mobile. L’effettore finale 20 può alloggiare una pluralità di estrusori pneumatici 30 per la deposizione di materiale, visibili ad esempio in figura 2.

La forma di realizzazione con architettura robotica di tipo parallelo comprende diverse catene cinematiche che connettono una piattaforma superiore fissa 11 alla piattaforma mobile 20 che costituisce l’effettore finale dell’apparato. Tale piattaforma superiore 11 è resa fissa e ancorata alla parete superiore 13a (si veda la figura 3) di una struttura 13 nella quale il manipolatore 10 è alloggiato. Il fissaggio della suddetta piattaforma superiore 11 è reso possibile mediante un supporto 12 in materiale non conduttivo. Sui lati della stessa piattaforma superiore 11 sono disposti gli alloggi 11a per attuatori 11b, uno per catena cinematica, che consentono l’attuazione dei movimenti del sistema articolato.

Ogni catena cinematica comprende due elementi strutturali in materiale non conduttivo: braccio superiore 11c e parallelogramma articolato 11d. Il braccio superiore 11c consente l’aggancio della catena cinematica al rispettivo attuatore 11b. Il braccio 11c è collegato al parallelogramma articolato 11d successivo mediante due snodi sferici 11e. I parallelogrammi articolati 11d sono anch’essi realizzati in materiale non conduttivo. Ciascun parallelogramma articolato 11d è collegato all’effettore finale 20 mediante nodi sferici 11f. Gli snodi sferici 11e e 11f sono in materiale non conduttivo. Tali snodi rendono più semplice la struttura agevolando la fluidità dei movimenti secondo i molteplici gradi di libertà della macchina. Più in generale, tutti i componenti sono fissati con collegamenti in materiale non conduttivo, al fine di evitare componenti metallici vicino al piano di lavoro del dispositivo, che potrebbero creare variazioni del campo elettrico prodotto durante la fase di elettrofilatura.

Un piano di lavoro, o piattaforma di deposizione 40, mostrata ad esempio in figura 2, è composta da materiale conduttivo. Il piano di lavoro 40 è configurato in modo essere facilmente intercambiabile; ad esempio, tale piano può prevedere un supporto sul quale è posizionato un foglio di materiale conduttivo guidato da rulli. Il suddetto piano di lavoro 40 consente la deposizione controllata durante la fase di microestrusione e la deposizione di nanofibre durante la fase di elettrofilatura, durante la quale viene applicata una differenza di potenziale tra ugelli 31 associati agli estrusori 30 e il suddetto piano 40 per creare un campo elettrostatico capace di far elettrofilare il materiale contenuto nei serbatoi 32 degli estrusori 30. Per applicare tale differenza di potenziale è previsto che su ugelli 31 provvisti di un ago di materiale conduttivo siano applicati rispettivi morsetti 33 collegati a un generatore di tensione 50. Il generatore di tensione 50 fornisce il potenziale costante richiesto per l’uso della tecnica di elettrofilatura.

La struttura 13 dove sono alloggiati il manipolatore 10 e il piano di lavoro 40 può assumere forma cilindrica e presenta pareti laterali 13b in materiale non conduttivo che evitano dispersioni di campo elettrico verso l’esterno durante la fase di elettrofilatura. La struttura 13 è dotata di un sistema di accesso 13c, ad esempio uno sportello od oblò, anch’esso di materiale non conduttivo. Tale struttura 13 presenta un sistema di visualizzazione dall’esterno che consente di osservare la fase di lavoro del dispositivo in esso contenuto. Tale sistema di visualizzazione può semplicemente consistere nel fatto che le pareti laterali 13b della struttura 13 siano di materiale otticamente trasparente.

La struttura di alloggio 13 può prevedere un sistema di sicurezza che garantisce una sicura manipolazione, un arresto in caso di anomalie sia automatico che manuale e un sistema di allarme sonoro e visivo (indicato con 13d in figura 3). L’eventuale presenza di un sistema per il ricircolo dell’aria (indicato con 13e in figura 3) evita la fuoriuscita dalla struttura di eventuali residui causati dall’evaporazione di solventi durante il processo di elettrofilatura e l’installazione di possibili luci schermate garantirebbero l’ottima visibilità anche in caso di illuminazione esterna carente. Inoltre, un sistema di controllo di scariche elettriche consente di operare in sicurezza durante la fase di elettrofilatura. Il suddetto sistema arresta la fase di lavoro in atto se vengono rilevate correnti elettriche anomale provocate da tali scariche all’interno dello spazio di lavoro.

L’eventuale presenza di un sistema di controllo ambientale (indicato con 60 in figura 6) consente il monitoraggio dei parametri di temperatura e umidità. Tale controllo permette di poter impostare condizioni desiderate all’interno dell’ambiente di lavoro del dispositivo in base ai materiali scelti e tecniche utilizzate per un’ottima riuscita della struttura da realizzare.

Il controllo dei movimenti del dispositivo (riferimento 70 in figura 6) è reso possibile mediante un firmware implementato su un microcontrollore 80 che consente di sfruttare le funzionalità del dispositivo mediante il controllo degli attuatori presenti. Un sistema di controllo esterno può essere composto da un joystick e una pulsantiera per gli spostamenti e le rotazioni della piattaforma mobile del manipolatore robotico. Un’interfaccia presente nel controllore 80 permette inoltre di impostare la pressione ottimale per l’uso del sistema pneumatico di estrusione (riferimento 90 in figura 6) mediante la regolazione automatica di un sistema di elettrovalvole (riferimento 100). Inoltre tale sistema consente di impostare i parametri utili per il corretto funzionamento della modalità di elettrofilatura (riferimento 110).

La summenzionata piattaforma mobile 20, o effettore finale, è raffigurata nelle figure 4 e 5 e ospita molteplici estrusori pneumatici 30 che consentono la deposizione del materiale mediante l’uso di serbatoi 32 dotati di ugelli 31. La struttura di ciascun estrusore 30 comprende una sede per il montaggio del rispettivo serbatoio 32. Nell’esempio illustrato tale sede comprende un perno cavo centrale 30a e due sporgenze laterali contrapposte 30b che consentono l’incastro e il bloccaggio per rotazione del serbatoio 32 e garantiscono una facile estrazione del serbatoio per un veloce rifornimento di materiale.

Sulla parte superiore della suddetta piattaforma mobile 20 (mostrata in figura 5) sono presenti connettori 30c in comunicazione di fluido con i rispettivi perni cavi 30a, che consentono l’aggancio di tubi di un circuito pneumatico 120 per il controllo dell’estrusione pneumatica mediante la modulazione di un flusso d’aria.

L’assenza di perdite d’aria dal serbatoio durante l’operazione di estrusione è garantita da una guarnizione circolare 30c posizionata attorno al perno centrale 30a in una rispettiva gola e da una guarnizione 30d posta alla base delle sedi dei suddetti serbatoi 32. La suddetta guarnizione 30d garantisce la tenuta dell’aria grazie alle sporgenze contrapposte 30b che spingono la base del serbatoio 32 (munita a sua volta di alette contrapposte 32a; si veda la figura 7) contro di essa dopo aver effettuato l’incastro e la rotazione del serbatoio.

Il circuito pneumatico 120 per il controllo dell’estrusione pneumatica comprende il sistema pressorio 90 in grado di creare un gradiente pressorio adeguato e il sistema di modulazione del flusso di aria 100. Con l’impostazione di una precisa pressione, mediante l’uso del controllore 80, è possibile erogare un flusso d’aria (frecce A in figura 7), controllato dal suddetto sistema di modulazione 100, che entra negli estrusori 30 all’interno dei serbatoi 32 tramite i tubi 120a, 120b del circuito pneumatico 120 fissati alla piattaforma mobile 20 del sistema, e favorisce la deposizione di materiale. Il controllo cinematico del dispositivo mediante l’apposito sistema di attuazione, consente di direzionare la deposizione del materiale estruso, utilizzando un controllo manuale o attraverso la comunicazione di un intero ciclo di lavoro che viene interpretato dal microcontrollore 80 grazie al firmware salvato in memoria.

L’apparato sopra descritto è in grado di lavorare utilizzando la tecnica di elettrofilatura mediante gli strumenti presenti all’interno della struttura 13 che ospita il manipolatore. Tali strumenti comprendono il generatore a tensione costante 50 e i morsetti 33 necessari per poter applicare la differenza di potenziale elettrico tra gli ugelli 31 e il piano di lavoro 40.

Poiché l’apparato è progettato in modo da alloggiare gli attuatori 11b ad una distanza sufficientemente lontana dagli ugelli 31 degli estrusori 30 presenti sulla piattaforma mobile 20, il campo elettrico prodotto dall’applicazione del potenziale ai suddetti ugelli 31 non perturba il funzionamento degli attuatori. Le linee di campo elettrico si richiudono sul piano di lavoro 40 il quale funge da elettrodo collegandolo a potenziale noto e garantisce l’assenza di eventuali perturbazioni del campo elettrico. Inoltre, il sistema pneumatico di estrusione precedentemente descritto non comprende parti metalliche al fine di evitare le summenzionate perturbazioni di campo elettrico.

L’elettrofilatura di nanofibre e la successiva deposizione delle stesse sul piano di lavoro 40 avviene mediante l’applicazione di una differenza di potenziale tra gli ugelli 31 e il piano di lavoro 40, generando un’attrazione elettrostatica tra gli aghi degli ugelli e il suddetto piano. L’impostazione del potenziale applicato agli ugelli viene effettuata tramite il controllore 80 che consente l’azionamento del sistema di elettrofilatura presente nell’apparato. Grazie alla possibilità di modificare la posizione dell’effettore finale 20 lungo l’asse verticale (asse z in figura 2) si possono realizzare fibre con spessore differente in base alla distanza ago-piano di lavoro; in particolare, aumentando tale distanza si ha un incremento dello spessore delle fibre elettrofilate, ottenendo così strutture con nanoarchitettura variabile.

Il processo di microestrusione e quello di elettrofilatura vengo effettuati utilizzando gli estrusori pneumatici presenti, e potendo scegliere ugelli con dimensione stabilita in base al processo utilizzato si può ottenere una precisa risoluzione della struttura, la quale può variare dal millimetro al micrometro nel processo di microestrusione. In tale processo la piattaforma mobile 20 viene avvicinata al piano di deposizione 40 in modo da ottenere una distanza ottimale tra ugello e piano di lavoro, consentendo di realizzare strutture mediante la deposizione strato dopo strato del materiale estruso. Durante la fase di elettrofilatura è possibile depositare nanofibre elettrofilate ad una distanza tra ago e piano di lavoro impostata dall’utente tramite controllo manuale o attraverso la comunicazione di un intero ciclo di lavoro che viene interpretato dal microcontrollore 80 grazie al firmware salvato in memoria.

Con l’apparato sopra descritto, è possibile usare distintamente la tecnica di microestrusione e di elettrofilatura oppure combinarle per ottenere strutture multiscala e multimateriale con applicazioni utili in ingegneria dei tessuti, usando materiali diversi e alternando strato dopo strato le due tecniche di fabbricazione presenti.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparato combinato di elettrofilatura e microestrusione, comprendente un manipolatore robotico (10) dotato di una pluralità di gradi di libertà, un effettore finale (20) supportato e movimentabile dal manipolatore robotico (10), una pluralità di estrusori (30) alloggiati sull’effettore finale (20), ciascuno di detti estrusori essendo provvisto di un ugello intercambiabile (31) per l’estrusione di almeno un materiale, un piano di lavoro (40) configurato per la deposizione del materiale estruso, un circuito pneumatico (120) configurato per alimentare un flusso di fluido agli estrusori (30) per controllare l’estrusione del materiale, e un generatore elettrico (50) selettivamente attivabile per applicare una differenza di potenziale fra gli ugelli (31) degli estrusori (30) e il piano di lavoro (40), per cui gli estrusori (30) sono in grado di operare selettivamente in modalità di microestrusione con generatore elettrico inattivo o in modalità di elettrofilatura con generatore elettrico attivo, in maniera indipendente l’uno dall’altro.
2. 2. Apparato secondo la rivendicazione 1, in cui ciascuno degli estrusori (30) comprende un serbatoio (32) per il materiale, detto serbatoio essendo montabile in maniera amovibile sull’effettore finale (20) e recando il rispettivo ugello (31).
3. 3. Apparato secondo la rivendicazione 2, in cui ciascun serbatoio è montabile su un lato inferiore dell’effettore finale (20), un rispettivo connettore (30c) essendo previsto su un lato superiore dell’effettore finale (20) per porre il serbatoio (32) in comunicazione di fluido con il circuito pneumatico (120).
4. 4. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente una struttura di isolamento (13) di materiale non conduttivo, configurata per accogliere il manipolatore (10) e il piano di lavoro (40), un controllore (80) per governare il manipolatore robotico (10), il circuito pneumatico (120) e il generatore elettrico (50), e un sistema di visualizzazione (13b) per permettere la visione del manipolatore (10) e del piano di lavoro (40) dall’esterno della struttura esterna di isolamento (13).
5. 5. Apparato secondo la rivendicazione 4, in cui il controllore (80) è configurato per regolare la differenza di potenziale applicata dal generatore (50) fra gli ugelli (32) e il piano di lavoro (40).
6. 6. Apparato secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui il controllore (80) è configurato per modulare la pressione di fluido applicata sugli estrusori (30).
7. 7. Apparato secondo una delle rivendicazioni da 4 a 6, in cui il controllore (80) è inoltre configurato per regolare parametri di umidità e temperatura all’interno della struttura di isolamento (13).
8. 8. Apparato secondo una delle rivendicazioni da 4 a 7, comprendente inoltre un sistema di ricircolo (13e) per l’asportazione dalla struttura di isolamento (13) di vapori dovuti a solventi utilizzati nell’uso dell’apparato.
9. 9. Apparato secondo una delle rivendicazioni da 4 a 8, in cui il controllore (80) è inoltre configurato per arrestare l’apparato in caso di anomalie di funzionamento.