Multipurpose Platform Based on LiNbO3 Crystals for Novel Scenarios in Soft Matter Manipulation

The many-sidedness of Soft Matter is the key factor that enables this materials class to generate a strong increasing attention in the international scientific research community, especially in investigating the broad range of available manipulation techniques. In particular, the introduction of multipurpose ferroelectric crystals as innovative handling driving forces represents the starting point for an alternative contact-free and nozzle-free technique for soft matter manipulation. This thesis work focuses on the development of highly efficient pyro-electrohydrodynamic (pyro-EHD) processes able to provide new reliable tools for the manipulation of biodegradable and/or biocompatible polymers to be employed in life science applications. The reliable control of the pyroelectric effect at microscale opens the doors to a wide variety of innovative techniques that include whipping-free electrospinning, versatile inkjet printing of polymer microlenses and even solar energy harvesting. Furthermore, the polar nature of lithium niobate crystals has been exploited here for developing innovative platforms able to control the morphology and the distribution of live cells through surfaces free from time-consuming chemical functionalization.

La cosiddetta "materia soffice" è caratterizzata da proprietà talmente molteplici da attirare l'attenzione crescente della comunità scientifica ormai da diversi decenni. In particolare, la possibilità di manipolare e dosare questa classe di materiali con tecniche che siano versatili ma anche dotate di elevata risoluzione spaziale, è di grande interesse per una vasta gamma di applicazioni. Questo lavoro di tesi si inserisce in questo contesto proponendo una piattaforma di tipo ferroelettrico in cui la polarizzazione spontanea di cristalli quali il niobato di litio (LiNbO3) è sfruttata ad arte per generare forze di tipo elettro-dinamico su scala micrometrica. Tali forze sono in grado di dosare e indirizzare opportunamente piccoli volumi di materiale fluido di tipo polimerico ma anche di tipo biologico. In particolare, i campi elettrici generati tramite effetto piroelettrico integrato su cristallo sono utilizzati qui per diversi tipi di applicazioni. I risultati mostrano come fluidi polimerici possono essere elettro-filati in modo controllato, evitando le instabilità tipiche dell'electrospinning tradizionale. Polimeri con proprietà ottiche opportune possono essere usati per stampare matrici di microlenti plastiche e versatili. L'energia solare può essere accumulata e sfruttata per sorgenti alternative di campi elettrici. La morfologia e le proprietà di adesione di cellule di fibroblasti viventi possono essere pilotate tramite le cariche di superficie espresse da tali supporti. Gli esiti di questo lavoro di tesi possono aprire nuove frontiere nella manipolazione della materia soffice, espandendo così in prospettiva i settori di applicazione di questa classe di materiali.