Costruzione e collaudo di trasduttori a ultrasuoni per applicazioni biomedicali

Abstract

Il presente lavoro di tesi descrive il processo di progettazione, realizzazione e caratterizzazione di trasduttori biocompatibili per la generazione controllata di ultrasuoni a bassa intensità (LIUS). I materiali utilizzati per l’implementazione dei dispositivi comprendono un materiale composito piezoelettrico costituito da polidimetilsilossano (PDMS) e nanoparticelle di titanato di bario (BaTiO3), integrato con un circuito stampato (PCB) che rappresenta la componente elettronica. Prendendo come punto di partenza un progetto di tesi precedentemente sviluppato, sono stati realizzati trasduttori con disco piezoelettrico di diametro pari a 5 mm, con l’obiettivo di ottimizzarne il protocollo di produzione e valutarne la riproducibilità. A integrazione dello studio, è stata introdotta una nuova versione del dispositivo con diametro pari a 20 mm, finalizzata a valutarne le prestazioni su dimensioni maggiori. I trasduttori sono stati successivamente impermeabilizzati mediante colata di PDMS all’interno di stampi dedicati, progettati con software CAD e realizzati tramite stereolitografia con resina trasparente resistente alle alte temperature. La caratterizzazione elettrica comprende misure di impedenza tramite strumento LCR, mentre quella acustica viene eseguita in ambiente acquoso mediante idrofono, al fine di simulare le condizioni di un ambiente di coltura cellulare in vitro. I risultati ottenuti individuano un segnale di debole entità nei soli trasduttori di diametro pari a 20mm e nessun segnale acustico nei trasduttori di diametro pari a 5mm. Tuttavia, si dimostra la riproducibilità e l’efficacia del protocollo seguito introducendo miglioramenti significativi nel processo di realizzazione.

This thesis describes the design, fabrication, and characterization of biocompatible transducers for the controlled generation of low-intensity ultrasound (LIUS). The materials used for the implementation of the devices include a piezoelectric composite material made of polydimethylsiloxane (PDMS) and barium titanate nanoparticles (BaTiO3), integrated with a printed circuit board (PCB) representing the electronic component. Starting from a previously developed thesis project, we created 5 mm diameter piezoelectric disk transducers, with the aim of optimizing theproduction protocol and evaluating their reproducibility. To complement the study, a new version of the device with a 20 mm diameter was introduced to evaluate performance at a larger scale. The transducers were subsequently waterproofed by casting PDMS into dedicated molds; these molds were designed using CAD software and fabricated via stereolithography using a high-temperature-resistant transparent resin. Electrical characterization includes impedance measurements using an LCR instrument, while acoustic characterization is performed in an aqueous environment using a hydrophone, to simulate the conditions of an in vitro cell culture environment. The results obtained show a weak signal only in the 20mm diameter transducers and no acoustic signal in the 5mm diameter transducers. However, the reproducibility and effectiveness of the adopted protocol were demonstrated through significant improvements made to the fabrication process.