Development of a Three-Dimensional Bioprinter with Inline Light Activation for Bone Tissue Engineering

Bioprinting offers exciting possibilities for tissue engineering related to tissue and organ failure due to trauma, disease, or aging. This is of substantial societal value as the world populace mean age rises. Current needs for tissue and organ repair far exceed availability. A strategy being explored to counter this imbalance is the single step fabrication of cellular constructs. This paper explores various bioprinting techniques and suggests a custom design for a cost-effective, low-maintenance bioprinting platform for academic research. The platform functionality was validated via two-dimensional image transfer and simple three-dimensional geometries

Inkjet printed TiO2 nanoparticles from aqueous solutions for dye sensitized solar cells (DSSCs)

This is the accepted version of the following article: Cherrington, R., Hughes, D. J., Senthilarasu, S. and Goodship, V. (2015), Inkjet-Printed TiO2 Nanoparticles from Aqueous Solutions for Dye-Sensitized Solar Cells (DSSCs). Energy Technology., which has been published in final form at http://dx.doi.org/10.1002/ente.201500096This work reports on the formulation of suitable ink for inkjet printing of TiO2 by investigating the critical parame- ters of particle size, pH, viscosity, and stability. Aqueous sus- pensions of TiO2 nanoparticles (Degussa, P25) were pre- pared with the addition of 25 wt % polyethylene glycol 400 as a humectant to minimize drying at the printer nozzles and reduce the likelihood of nozzle blockage. The inkjet-printed TiO2 layers were assembled into dye-sensitized solar cells. The current–voltage (I–V) characteristics were measured under one sun (air mass 1.5, 100 mW cm 2) using a source meter (Model 2400, Keithley Instrument, Inc.), and the active area of the cell was 0.25 cm2. The inkjet-printed TiO2 photoanode produced a device with a short-circuit current (Isc) of 9.42 mA cm 2, an open-circuit voltage (Voc) of 0.76 V, and a fill factor (FF) of 0.49, resulting in a power conversion efficiency (PCE) of 3.50 %.Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC

Fabrication of advanced ceramics and selective metallization of non-conductive substrates by inkjet printing

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel University, 30/10/2002.Inkjet printing of ceramic components and gold conductive tracks was carried out in this study. A commercial inkjet printer, designed for printing one layer of 2D images on paper, was modified to give adequate resolution, to reverse the substrate for overprinting many layers and to accommodate the increase in thickness of 3D components during printing. Ceramic inks were prepared by wet ball milling and printed to form 3D structures. The powders used were alumina, zirconia, lead zirconate titanate (PZT) and barium titanate. The substrate used for printing the ceramic parts was an overhead transparency. Methods to stop or reduce ink flow were devised and used during printing of the ceramic parts. The alumina and zirconia powders were used for the fabrication of multi-layered laminates. The lead zirconate titanate was used to fabricate components with pillars, walls, vertical channels and x-y-z channel network. During printing of the x-y-z channel network, carbon was used as a support structure and then removed during firing. Barium titanate and carbon powders were used to form the first storey of a capacitor with a multi-storey car park structure. The printed parts were pyrolysed and fired in an oxidising environment and then characterised with scanning electron microscopy. The causes of micro structural defects found were discussed and prevention methods suggested. Organic gold powder was dissolved in methanol and then printed on three different substrates to form conductive gold tracks. The substrates used included alumina, glazed tile and microscope glass slides. The printed tracks were fired in air. The decomposition characteristics of the organic gold compound were studied with TGA and Differential Scanning Calorimetry (DSC). Scanning electron microscope was used to examine the fired gold film for defects and conductivity measurement of the tracks was carried out with a programmable multimeter

Inkjet printing of mammalian cells – Theory and applications

Inkjet bioprinting is a new and versatile technology which has found novel applications in cell biology and associated biomedical research. Cells suspended in a low-viscosity liquid medium can be readily dispensed using piezoelectric and thermal actuation-based drop-on-demand inkjet printers, which are the most commonly used inkjet printing technologies. As inkjet printing has the advantage of producing high resolution and high precision prints, it is one of the most suitable technologies for bottom-up cell deposition for building intricate biological constructs. In addition, with the use of appropriate bioinks, inkjet printing can produce both, 2D as well as 3D structures. This review paper is an attempt to curate inkjet bioprinting research, with an exclusive focus on mammalian cells, and comprehend the main application areas, such as intracellular delivery and transfection, gene expression modification, single cell sorting, cell microarray, cell micropatterning, tissue engineering, and in vivo cell printing. The printability of cells has also been discussed in order to understand how the process of inkjet bioprinting affects the cellular mechanics and physiology and subsequent survival, proliferation and differentiation

Indirect microfabrication of biomimetic materials for locomotor tissues regeneration

Tissue Engineering is a new field of the scientific research with a final aim to develop techniques for regeneration, repair, maintenance and growth of tissues or organs to overcome the limitations intrinsic to current therapeutic strategies. A fundamental element of this approach is the scaffold. The scaffold is a 2D and 3D structure, made with natural or synthetic material, that emulates the extracellular matrix, that is it offers mechanical, topological, biochemical and chemical stimuli to promote cellular organization, growth and differentiation to create a tissue with adequate functional and morphological characteristic. Scaffolds are therefore characterized by peculiar features (e.g. porosity, mechanical properties) determined by the material and by the manufacture process. Nowadays, the additive Rapid Prototyping (RP) techniques are the best approach to realize complex structures, because overcome all the problem of conventional (subtractive) techniques. Despite the high potential, RP techniques are not always compatible with all materials. In particular, hydrogels, an elective class of biomaterial for scaffolds realization because the lot of features in common with the extracellular matrix, results very difficult to be processed. To overcome these limitations and take advantage of all benefits of rapid prototyping, indirect rapid prototyping (iRP) was developed, that is the realization of scaffold or other structures starting from sacrificial molds realized by RP. The iRP offers the benefits to fabricate composite scaffold realized with different materials, with less waste and high fidelity in the realization of the designed structure. One of the critical aspect of this class of realization process is the extraction of the final object from the mold. A possible solution, proposed in this research, is to realize the mold with low melting point materials, dissolving the mold at the end of the process without damaging the scaffold. Moving in this direction, the attention of this research is focused on two classes of materials, low melting point waxes and agarose. Two alternative RP techniques have been evaluated: new modules of the PAM^2, a continuous flow system, and a inkjet-based device have been designed and realized to test the feasibility of this approach. In addiction, an alternative approach to fabricate agarose microstructure, by exploiting the different agarose gelling ability in DMSO and water, has been proposed. In a future perspective, casting of the desired material, which may include also cells, should be performed directly in the surgery room using an anatomical shaped mold designed on the patient needs. Following this approach, two plugins for bioimages de-noising and segmentation, based on the ITK library, have been implemented for the OsiriX software. To further test the versatility of the two microfabrication devices, other applications have been explored, such as the realization of microfluidic circuits using PAM^2 or printing carbon nanotubes suspension for polymeric actuators

Design and fabrication by inkjet printing of electrodes for electromyography

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013A utilização de impressoras de jacto de tinta (inkjet printers) tem dado um enorme contributo na indústria eletrónica reduzindo as dimensões dos componentes e introduzindo processos de fabricação mais rápidos e menos dispendiosos. Uma das grandes vantagens deste método de fabricação é a facilidade de design dos circuitos, a deposição de materiais directamente no substrato sem haver contacto, a sobreposição de desenhos impressos e a versatilidade de materiais utilizados, tirando o maior partido das suas características. Duas formas de tirar partido das funcionalidades de uma impressora inkjet, em engenharia biomédica, é, por um lado, desenvolver circuitos elétricos desenhados especialmente para aquisição de sinais fisiológicos. Esses circuitos, aliados às capacidades da impressão por jacto de tinta, poderão resultar em eletrónica flexível com materiais com elevada biocompatibilidade, promovendo desta forma uma próxima interacção com o corpo humano. Por outro lado, as aplicações da impressora inkjet podem levar ao desenvolvimento de eletródios impressos enquadrando-os no conceito de pele eletrónica, isto é, integrar dispositivos eletrónicos utilizando características da pele humana (flexibilidade, extensibilidade e compatibilidade). Assim, o principal objectivo deste trabalho é fabricar, utilizando esta técnica, elétrodos com a capacidade de medir sinais electromiográficos dos músculos responsáveis pelo movimento da mão e dedos. A fim de utilizar as potencialidades da tecnologia inkjet, os eléctrodos devem obter medições congruentes do ponto de visto fisiológico e devem se mostrar vantajosos face aos, já convencionais, eléctrodos descartáveis. A finalidade da construção destes eléctrodos deverá preencher a carência que os eléctrodos convencionais possuem, de não serem flexíveis e de não serem utilizados durante largos períodos de tempo. As vantagens extraídas de eléctrodos impressos poderão ainda ser mais vastas não só a nível económico, pela construção de eléctrodos low-cost, mas também a nível de desempenho, biocompatibilidade e design, com o desenvolvimento de eléctrodos finos, paper-like e passiveis de acoplarem circuitos eletrónicos também impressos. O desenvolvimento do trabalho apresentou uma variedade de tarefas, com inicio na aprendizagem dos conceitos e métodos de funcionamento da impressora FujiFilm Dimatrix 2831 Materials Printer. Esta impressora, utilizada para obtenção de todos os eléctrodos e circuitos aqui referidos, possui uma tecnologia drop-on-deman coordenada por material piezoeléctrico, conseguindo uma resolução até -5 um. As voltagens induzidas a este material tem um enorme impacto na formação das gotas de tinta, e por isso a uma boa qualidade de impressão. No entanto, outros factores como a viscosidade da tinta e a tensão de superfície também desempenham importantes papeis para aumento da qualidade de impressão. As tarefas seguintes incluíram a otimização dos procedimentos para tratamento dos substratos de forma a que a deposição da tinta de prata fosse óptima. Os substratos utilizados neste trabalho foram: papel fotográfico, biocelulose e polidimetilsiloxano (PDMS). Também os métodos de impressão tiveram que ser optimizados controlando a velocidade e a direcção da deposição das gotas de tinta. Uma vez que foi apenas utilizado um tipo de tinta prata, uma dispersão de nanopartículas de prata, foi utilizada a mesma velocidade de deposição das gotas, 10 m/s com temperatura do tinteiro constante, de 30ºC. Por fim, houve necessidade de melhorar o processo de sinterização que visa a remoção do solvente e outras substâncias presentes na tinta de prata, e que tem enorme impacto na resistividade final do padrão impresso. Um bom processo de sinterização faz com que as nanopartículas de prata tenham um forte contacto entre elas, aumentando consideravelmente a conductividade do material. Para este fim, foi testada a sinterização térmica padrão e introduzida um novo método, a sinterização elétrica cuja aplicação de uma diferença de potencial permite a passagem de corrente elétrica gerando calor localmente. Para impressão de eléctrodos, os seus designs foram adaptados às características dos materiais, sendo que, por exemplo, para materiais mais flexíveis foram implementadas conexões serpenteadas entre pequenos eléctrodos. Para outros substratos, como o papel fotográfico, foi optado um design semelhante ao dos eléctrodos convencionais para obter melhor termo de comparação. Já para aplicação de sinterização elétrica, optou-se por um design que consiste num único filamento para que seja possível a aplicação de uma diferença de potencial em ambas as extremidades. Durante o aperfeiçoamento dos eléctrodos, foi elaborado uma série de estudos acerca das características dos mesmos (resistividade e impedância) e as suas medições foram comparadas com os resultados obtidos, em condições semelhantes, aos eléctrodos tipicamente utilizados em ambiente clínico. Como resultados de medições de sinais electrocardiográficos, os eléctrodos impressos em papel fotográfico mostraram-me vantajosos quanto à morfologia do traçado, pois o termo de comparação foi similar aos obtidos por eléctrodos convencionais. No estudo de sinais electromiográficos, os eléctrodos impressos em biocelulose e papel fotográfico tiveram taxas de sinal-ruído abaixo das obtidas pelos tradicionais eléctrodos de uso clínico. Ainda assim, os dados dos eléctrodos impressos podem ser utilizados para captação de sinais fisiológicos pois foi possível demonstrar a extração de informações acerca do movimento dos músculos esqueléticos e cardíaco. Contudo, não foi possível a obtenção de sinais fisiológicos utilizando eléctrodos impressos em PDMS. Devido a uma fraca adesão da tinta de prata à superfície do substrato, a tinta era removida do eléctrodo quando havia contacto entre o eléctrodo e a pele. Tarefas intermédias incluíram a impressão de pequenos circuitos eletrónicos, nomeadamente um circuito impresso cuja principal função é a leitura e tratamento (amplificação e filtragem) de sinais electrocardiográficos. Dois outros circuitos, mais simples, foram impressos: um díodo emissor de luz e um sensor de luz. Todas as pistas de condução de ambas as camadas foram impressas com prata em papel fotográfico e os componentes eletrónicos foram colados com cola de prata. A otimização deste processo poderá trazer enormes vantagens pela possibilidade de construção de circuitos eletrónicos flexíveis e finos com eléctrodos incorporados. Por fim, a última tarefa inclui processamento de sinal a qual inclui a implementação de algoritmos em ambiente MatLab para extracção de movimentos dos músculos do antebraço. Com a informação extraída por três movimentos distintos da mão foi provado que os eléctrodos impressos podem ser usados para posterior reconhecimento de padrões. A distinção dos três movimentos foi feita com sucesso, sobretudo para os eléctrodos impressos em biocelulose e para os eléctrodos de baixa resistividade em papel fotográfico. Este trabalho também abriu portas para investigações futuras em que mais substratos e tintas podem ser testadas e mais componentes podem ser integrados aos já aqui desenvolvidos. Desta forma, a tecnologia inkjet pode contribuir com a sua versatilidade para a inovação nos campos electrofisiologia e das interacções homem-máquina.Inkjet technology has advantages as a fabrication method when compared to other conventional procedures. Inkjet technology allows the deposition of several materials directly with non contact with it, mask-less and the possibility of printing over a previous printed pattern. Due its versatility of inks (conductive, polymers and organic) and substrates, direct deposition of materials with high precision (-5 um) using simple methods, this technique shows a high potential as a fabrication method. Despite the wide range of applications of inkjet printing in electronics, a lack of intend for printing devices for collecting biosignals. The subject of the work presented was the first step towards the development of a inkjet device for a close contact with skin for collecting biosignals. One way to apply the functionalities of an inkjet printer, in biomedical engineering, is developing printed electrodes introducing electronic skin concept, i.e., implement electronic devices using features of electronic skin (exibility, extensibility and compatibility). Thus, the major goal of this work was develop, using this technique, electrodes capable of measuring electromyographic signals from the forearm's muscles responsible to move hand and fingers. In order to use the potentials of inkjet technology, these electrodes must obtain congruent measurements and should prove advantageous when compared to the standard electrodes. The versatility of inkjet printing allowed to print electrodes, using a inkjet printer DMP-2831, onto substrates that included photographic paper, biocellulose and PDMS and test the performance of different designs: standard at discs, spiked, filamentary and serpentine array of small electrodes. This thesis presents the development of tasks that includes the design and choice of materials, optimization of printing and sintering procedures, printing electronic circuits and ends with signal processing. During the optimization of the electrodes measurements of resistivity and impedance were performed to understand the behavior and characteristics of them. Finally, a linear discriminant analysis was used to successfully distinguish between three hand movements

Microfabrication Technology for Isolated Silicon Sidewall Electrodes and Heaters

This paper presents a novel microfabricationtechnology for highly doped silicon sidewall electrodesparallel to – and isolated from – the microchannel. Thesidewall electrodes can be utilised for both electricaland thermal actuation of sensor systems. Thetechnology is scalable to a wide range of channelgeometries, simplifies the release etch, and allows forfurther integration with other Surface ChannelTechnology-based systems. Furthermore, thefabrication technology is demonstrated through thefabrication of a relative permittivity sensor. The sensormeasures relative permittivity values ranging from 1 to80, within 3% accuracy of full scale, including waterand water-containing mixtures