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Nuova tecnica di stampa 3D: siamo a una svolta per i dispositivi di test medici

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I ricercatori hanno sviluppato una tecnica di stampa 3D per fabbricare dispositivi microfluidici per applicazioni biomediche su una microscala cosa impossibile finora

I dispositivi microfluidici sono strumenti di test compatti costituiti da minuscoli canali incisi su un chip, che consentono ai ricercatori biomedici di testare le proprietà di liquidi, particelle e cellule su microscala. Sono fondamentali per lo sviluppo di farmaci, i test diagnostici e la ricerca medica in aree come il cancro, il diabete e ora il COVID-19. Tuttavia, la produzione di questi dispositivi è molto laboriosa, con canali e pozzetti minuti che spesso devono essere incisi manualmente o modellati in un chip di resina trasparente per i test. Sebbene la stampa 3D abbia offerto molti vantaggi per la produzione di dispositivi biomedici, le sue tecniche in precedenza non erano abbastanza sensibili per costruire strati con i minimi dettagli richiesti per i dispositivi microfluidici. Fino ad ora.

I ricercatori della USC Viterbi School of Engineering hanno ora sviluppato una tecnica di stampa 3D altamente specializzata che consente di fabbricare canali microfluidici su chip su una microscala precisa non raggiunta in precedenza. La ricerca, guidata da Daniel J. Epstein Dipartimento di Ingegneria Industriale e dei Sistemi Ph.D. Yang Xu e professore di ingegneria aerospaziale e meccanica e ingegneria industriale e dei sistemi Yong Chen, in collaborazione con il professore di ingegneria chimica e scienza dei materiali Noah Malmstadt e il professor Huachao Mao alla Purdue University, è stato pubblicato su  Nature Communications.

Il team di ricerca ha utilizzato un tipo di tecnologia di stampa 3D nota come fotopolimerizzazione in vasca, che sfrutta la luce per controllare la conversione del materiale in resina liquida nel suo stato finale solido.

“Dopo la proiezione della luce, possiamo sostanzialmente decidere dove costruire le parti (del chip) e poiché utilizziamo la luce, la risoluzione può essere piuttosto alta all’interno di uno strato. Tuttavia, la risoluzione è molto peggiore tra i livelli, il che è una sfida fondamentale nella costruzione di canali su microscala”, ha affermato Chen.

“Questa è la prima volta che siamo stati in grado di stampare qualcosa in cui l’altezza del canale è a un livello di 10 micron; e possiamo controllarlo in modo molto accurato, con un errore di più o meno un micron. Questo è qualcosa che non è mai stato fatto prima, quindi questa è una svolta nella stampa 3D di piccoli canali”, ha affermato.

La fotopolimerizzazione in vasca fa uso di una vasca riempita con resina fotopolimerica liquida, dalla quale viene costruito uno strato dopo l’altro un articolo stampato. La luce ultravioletta viene quindi proiettata sull’oggetto, indurendo e indurendo la resina a livello di ogni strato. Quando ciò accade, una piattaforma di stampa sposta l’elemento stampato in alto o in basso in modo che possano essere costruiti livelli aggiuntivi su di esso.

La nuova ricerca che utilizza la piattaforma ausiliaria è dimostrata in questo video del team di ricerca USC Viterbi.

Ma quando si tratta di dispositivi microfluidici, la fotopolimerizzazione in vasca presenta alcuni svantaggi nella creazione dei minuscoli pozzetti e canali necessari sul chip. La sorgente di luce UV spesso penetra in profondità nella resina liquida residua, polimerizzando e solidificando il materiale all’interno delle pareti dei canali del dispositivo, che intaserebbe il dispositivo finito.

“Quando si proietta la luce, idealmente, si vuole polimerizzare solo uno strato della parete del canale e lasciare intatta la resina liquida all’interno del canale; ma è difficile controllare la profondità di polimerizzazione, poiché stiamo cercando di puntare su qualcosa che sia solo uno spazio di 10 micron”, ha detto Chen.

Ha affermato che gli attuali processi commerciali consentivano la creazione di un’altezza del canale a livello di 100 micron solo con uno scarso controllo di precisione, a causa del fatto che la luce penetra troppo in profondità in uno strato indurito, a meno che non si utilizzi una resina opaca che non consentire la massima penetrazione della luce.

“Ma con un canale microfluidico, in genere vuoi osservare qualcosa al microscopio e, se è opaco, non puoi vedere il materiale all’interno, quindi dobbiamo usare una resina trasparente”, ha detto Chen.

Al fine di creare accuratamente canali in resina trasparente a livello di microscala adatti ai dispositivi microfluidici, il team ha sviluppato un’esclusiva piattaforma ausiliaria che si muove tra la sorgente luminosa e il dispositivo stampato, impedendo alla luce di solidificare il liquido all’interno delle pareti di un canale, in modo che il tetto del canale possa poi essere aggiunto separatamente alla parte superiore del dispositivo. La resina residua che rimane nel canale sarebbe ancora allo stato liquido e può quindi essere eliminata dopo il processo di stampa per formare lo spazio del canale.

I dispositivi microfluidici hanno applicazioni sempre più importanti nella ricerca medica, nello sviluppo di farmaci e nella diagnostica.

“Ci sono così tante applicazioni per i canali microfluidici. Puoi far fluire un campione di sangue attraverso il canale, mescolandolo con altre sostanze chimiche in modo da poter, ad esempio, rilevare se hai il COVID o livelli elevati di zucchero nel sangue”, ha affermato Chen.

Ha affermato che la nuova piattaforma di stampa 3D, con i suoi canali in microscala, consente altre applicazioni, come lo smistamento delle particelle. Un selezionatore di particelle è un tipo di chip microfluidico che utilizza camere di diverse dimensioni in grado di separare particelle di dimensioni diverse. Ciò potrebbe offrire vantaggi significativi all’individuazione e alla ricerca del cancro.

“Le cellule tumorali sono leggermente più grandi delle cellule normali, che sono circa 20 micron. Le cellule tumorali potrebbero superare i 100 micron”, ha detto Chen. “In questo momento, utilizziamo le biopsie per verificare la presenza di cellule tumorali; tagliare un organo o un tessuto da un paziente per rivelare un mix di cellule sane e cellule tumorali. Invece, potremmo utilizzare semplici dispositivi microfluidici per far fluire (il campione) attraverso canali con altezze accuratamente stampate per separare le cellule in dimensioni diverse in modo da non permettere a quelle cellule sane di interferire con il nostro rilevamento”.

Chen ha affermato che il team di ricerca sta ora depositando una domanda di brevetto per il nuovo metodo di stampa 3D e cercando una collaborazione per commercializzare la tecnica di fabbricazione per dispositivi di test medici.

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