La possibilità di produrre sistemi di rilevamento direttamente nel luogo in cui devono essere utilizzati rappresenta uno dei filoni più interessanti nell’incontro tra manifattura additiva, microfluidica e biosensing. Un gruppo di ricercatori della University of Derby ha analizzato questo scenario concentrandosi su un aspetto che precede la vera e propria funzione biologica del sensore: la scelta del materiale e dell’architettura con cui realizzare tramite stampa 3D la piattaforma che dovrà successivamente diventare un biosensore.
Lo studio, condotto da Bethany Richardson e Urvashi Gunputh e pubblicato sull’International Journal of Advanced Manufacturing Technology, prende in considerazione piattaforme destinate ad applicazioni di Test and Evaluation, diagnostica sul campo, risposta alle emergenze e altri contesti nei quali l’accesso a un laboratorio attrezzato può essere limitato.
Il lavoro non presenta ancora un biosensore completo capace di riconoscere uno specifico agente biologico o biomarcatore. I ricercatori hanno invece affrontato una fase precedente e fondamentale: verificare se componenti stampati attraverso tecnologia Fused Filament Fabrication, FFF, possano offrire precisione geometrica, comportamento fluidodinamico e caratteristiche elettriche sufficientemente ripetibili da diventare la base di futuri sensori elettrochimici.
Perché la struttura del biosensore è importante quanto la parte biologica
Quando si parla di biosensori, l’attenzione viene spesso concentrata sull’elemento biologico che riconosce la sostanza da rilevare. Anticorpi, enzimi, aptameri e altri sistemi di riconoscimento possono interagire selettivamente con molecole, proteine, agenti patogeni o biomarcatori.
Questa parte, però, deve essere integrata con un trasduttore capace di trasformare l’interazione biologica in un segnale misurabile.
Nel caso di un biosensore elettrochimico, il supporto sul quale vengono depositati gli elementi biologici deve quindi possedere caratteristiche elettriche adeguate e una geometria sufficientemente controllata. Anche piccole variazioni nella sezione di una pista conduttiva, nella distanza tra due elementi o nella superficie esposta al campione possono modificare resistenza, impedenza e distribuzione del liquido.
È proprio su questo problema che si è concentrata la University of Derby.
Prima di utilizzare componenti biologici più complessi e costosi, i ricercatori hanno voluto definire un metodo ingegneristico attraverso il quale confrontare materiali stampabili e identificare quelli più adatti alla successiva biofunzionalizzazione.
Tre versioni del PLA messe a confronto
Il gruppo della University of Derby ha confrontato tre filamenti commerciali utilizzabili tramite estrusione:
- PLA conduttivo, indicato nello studio come CPLA;
- PLA modificato con grafene, GPLA;
- PLA standard, indicato come PPLA.
Il PLA tradizionale è un materiale ampiamente utilizzato nella stampa 3D FFF perché relativamente semplice da processare e adatto alla produzione di geometrie dettagliate. Dal punto di vista elettrico, tuttavia, è sostanzialmente isolante.
Per realizzare elettrodi direttamente attraverso la stampa 3D è quindi necessario modificare la matrice polimerica aggiungendo materiali conduttivi.
La ricerca sui filamenti funzionali ha portato allo sviluppo di compositi contenenti carbon black, nanotubi di carbonio, grafene e altri materiali capaci di creare percorsi elettricamente conduttivi all’interno del polimero.
Il grafene è particolarmente interessante perché le sue caratteristiche non incidono soltanto sulla conduzione elettrica. La presenza di nanopiastrine di grafene può influenzare anche il comportamento termico e reologico del materiale durante l’estrusione, modificando il modo in cui il filamento fuso viene depositato e solidifica.
Lo studio della University of Derby ha cercato quindi di capire se questi effetti potessero produrre vantaggi misurabili nella fabbricazione di strutture destinate al biosensing.
Un sensore progettato con una geometria serpentina
Per il confronto non sono stati utilizzati semplici campioni rettangolari.
I ricercatori hanno progettato una struttura più vicina alle esigenze di un dispositivo di rilevamento, caratterizzata da una zona attiva con un percorso serpentino collegato a due piazzole terminali destinate alla connessione con la strumentazione elettrica.
La geometria è stata progettata utilizzando Autodesk Fusion 360, software sviluppato da Autodesk, e successivamente esportata in formato STL per la produzione additiva.
Il percorso serpentino risponde a due esigenze.
La prima consiste nell’aumentare la superficie disponibile per l’interazione tra il campione liquido e l’area attiva senza aumentare eccessivamente le dimensioni esterne del dispositivo.
La seconda riguarda il controllo del movimento del fluido. Un percorso più lungo consente al campione di attraversare una superficie maggiore e può aumentare il tempo disponibile per l’interazione con gli elementi biologici che, in una fase successiva dello sviluppo, dovrebbero essere immobilizzati sulla superficie.
Sono state realizzate tre dimensioni del dispositivo, con larghezza complessiva tra le piazzole di contatto rispettivamente di 20, 25 e 30 millimetri.
Il canale fluidico progettato aveva una larghezza di 0,8 millimetri, una distanza di 0,8 millimetri tra le sezioni adiacenti, una profondità di 1,2 millimetri e una lunghezza complessiva del percorso pari a 100 millimetri.
La produzione con una Ultimaker S5
Tutti i campioni sono stati prodotti utilizzando una stampante Ultimaker S5, piattaforma oggi appartenente al portafoglio UltiMaker, equipaggiata nello studio con un ugello in ottone da 0,4 millimetri.
L’esperimento è stato costruito in modo da ridurre il numero di variabili indipendenti dal materiale.
L’altezza dello strato è stata fissata a 0,20 millimetri, la densità di riempimento al 100% e la velocità di stampa a 40 millimetri al secondo. Il piano è stato mantenuto a 60 °C.
La temperatura dell’ugello è stata invece impostata a 210 °C per il PLA standard e a 220 °C per CPLA e GPLA.
Ogni combinazione tra geometria e materiale è stata stampata tre volte. Questo passaggio è importante perché uno dei requisiti di un dispositivo destinato all’utilizzo sul campo non è soltanto riuscire a produrre un singolo campione funzionante, ma riuscire a ottenere più componenti con caratteristiche comparabili.
La ripetibilità produttiva diventa ancora più significativa se si immagina un futuro scenario nel quale i sensori vengono fabbricati on-demand in località differenti utilizzando file digitali e sistemi di stampa FFF.
Misurare quello che accade dopo la stampa
Il confronto tra i tre materiali non è stato limitato alla semplice osservazione visiva.
La University of Derby ha utilizzato un microscopio digitale Keyence VHX, prodotto da Keyence, per analizzare dimensioni, larghezza delle piste, distanze tra i canali e caratteristiche della superficie.
Le immagini sono state utilizzate anche per ricostruire profili tridimensionali e valutare variazioni nell’altezza degli strati, irregolarità e artefatti prodotti durante la deposizione.
Questi parametri sono particolarmente importanti in un futuro biosensore elettrochimico. Una superficie molto irregolare potrebbe infatti modificare sia la distribuzione del materiale biologico utilizzato per funzionalizzare l’elettrodo sia il comportamento elettrico del sistema.
Il GPLA contenente grafene ha fornito, nel complesso delle prove dimensionali, la migliore combinazione tra fedeltà geometrica e ripetibilità produttiva.
Secondo l’interpretazione proposta dai ricercatori, una parte di questo comportamento è collegata alle proprietà termiche e reologiche introdotte dal grafene nella matrice di PLA.
Una distribuzione più uniforme del calore durante l’estrusione e il raffreddamento può ridurre variazioni dimensionali e contribuire alla formazione di piste più omogenee.
Il grafene influenza anche la qualità della superficie
Le analisi tridimensionali della superficie hanno evidenziato differenze tra i tre materiali.
Il GPLA ha mostrato una deposizione degli strati più uniforme e minori variazioni locali dell’altezza nella zona serpentina.
Il CPLA ha evidenziato una maggiore irregolarità superficiale, mentre il PLA standard ha mostrato un comportamento intermedio dal punto di vista della qualità geometrica, pur mantenendo il proprio limite fondamentale: l’assenza della conducibilità richiesta per utilizzarlo direttamente come elettrodo.
Questo risultato mette in evidenza un elemento interessante per lo sviluppo dei materiali destinati alla manifattura additiva funzionale.
La scelta di un filler conduttivo non dovrebbe essere effettuata considerando soltanto la resistività finale del materiale. Lo stesso additivo può modificare il processo di estrusione, la stabilità dimensionale, la rugosità e l’interazione tra gli strati.
Per un biosensore, tutte queste proprietà finiscono per contribuire al comportamento complessivo del dispositivo.
La simulazione CFD studia il percorso del campione liquido
La geometria serpentina è stata analizzata anche dal punto di vista fluidodinamico.
I ricercatori hanno utilizzato SOLIDWORKS Flow Simulation, soluzione di Computational Fluid Dynamics integrata nella piattaforma SOLIDWORKS di Dassault Systèmes, simulando il movimento dell’acqua a 25 °C attraverso il canale.
La simulazione ha indicato un regime di flusso laminare lungo il percorso considerato.
Per un sistema di biosensing questa condizione è utile perché permette di avere un trasporto del campione più prevedibile e di ridurre le variazioni provocate da fenomeni turbolenti.
La geometria serpentina aumenta inoltre il percorso effettivo del liquido mantenendo relativamente compatte le dimensioni esterne del componente.
Quando il sistema verrà biofunzionalizzato, questa caratteristica potrebbe aumentare il tempo durante il quale le molecole presenti nel campione rimangono esposte alla superficie sensibile.
Non sono state rilevate nella simulazione importanti zone stagnanti, un altro elemento utile per evitare accumuli locali di analita o sostituzioni incomplete del campione.
La fluidodinamica non rappresenta quindi un semplice dettaglio geometrico. In un biosensore può incidere sulla quantità di analita che raggiunge la superficie attiva e, di conseguenza, sulla ripetibilità della misura.
La prova elettrica prima della biofunzionalizzazione
La fase successiva ha riguardato il comportamento elettrico dei campioni.
Per le misure è stato utilizzato un SourceMeter 2840 di B&K Precision, collegato alle piazzole terminali dei dispositivi. La resistenza è stata monitorata per circa 600 secondi in condizioni di laboratorio.
Per ogni materiale e dimensione sono stati considerati resistenza media, variazione del segnale nel tempo, rumore e rapporto segnale-rumore.
L’obiettivo era creare una baseline elettrica prima dell’integrazione di qualsiasi componente biologico.
Questo passaggio è fondamentale perché, in un futuro sensore basato sull’impedenza, il segnale prodotto dall’interazione tra biomolecola e superficie deve poter essere distinto dalle normali oscillazioni elettriche del supporto.
Il CPLA ha mostrato un comportamento conduttivo stabile e un livello contenuto di rumore.
Il GPLA è stato indicato dagli autori come il materiale con il miglior equilibrio complessivo tra proprietà elettriche, qualità produttiva e coerenza geometrica.
Il PLA standard ha invece confermato la propria natura isolante. I valori di resistenza misurati risultavano di diversi ordini di grandezza superiori rispetto ai compositi conduttivi.
Questo non significa che il PLA convenzionale sia completamente escluso dalle future architetture.
La sua buona lavorabilità e stabilità dimensionale potrebbero renderlo adatto come materiale strutturale in sensori ibridi, nei quali la conduzione viene ottenuta attraverso metallizzazione, rivestimenti o altre superfici funzionalizzate.
Il vero risultato dello studio non è ancora un biosensore
Uno degli aspetti più importanti per interpretare correttamente il lavoro della University of Derby consiste nel distinguere tra una piattaforma per biosensing e un biosensore completamente funzionante.
I campioni analizzati non contengono ancora anticorpi, aptameri, enzimi o altri elementi capaci di riconoscere selettivamente un biomarcatore.
Di conseguenza, lo studio non misura parametri come limite di rilevazione, selettività verso uno specifico analita, sensibilità biologica o comportamento in presenza di campioni reali.
Il contributo della ricerca è precedente a questa fase.
Bethany Richardson e Urvashi Gunputh hanno definito una metodologia per valutare se un materiale stampato in 3D possiede le caratteristiche ingegneristiche necessarie per essere trasformato successivamente in un biosensore.
Questo approccio può evitare di introdurre componenti biologici costosi su una struttura che presenta già problemi di geometria, ripetibilità, fluidodinamica o stabilità elettrica.
La fase successiva: anticorpi, aptameri e idrogel
Il programma di sviluppo indicato dalla University of Derby prevede ora l’introduzione della vera componente biologica.
Tra le soluzioni che i ricercatori intendono studiare figurano funzionalizzazioni superficiali basate sul grafene, interfacce in idrogel e sistemi di riconoscimento biomolecolare comprendenti anticorpi e aptameri.
Gli aptameri sono brevi sequenze di acidi nucleici selezionate per legarsi a specifiche molecole bersaglio e vengono studiati come alternativa o complemento agli anticorpi in diverse tipologie di biosensori.
La risposta dei futuri dispositivi dovrebbe essere analizzata mediante spettroscopia di impedenza elettrochimica.
Solo a quel punto sarà possibile misurare parametri direttamente collegati alla capacità di rilevare un analita: sensibilità, selettività, stabilità a lungo termine e risposta in condizioni operative rappresentative.
Dai laboratori ai sensori prodotti dove servono
L’interesse per dispositivi di questo tipo è legato anche alla possibilità di modificare la logistica con cui vengono distribuiti sistemi diagnostici e di monitoraggio.
Un sensore convenzionale viene normalmente prodotto all’interno di una catena industriale centralizzata, confezionato, immagazzinato e successivamente trasferito nel luogo di utilizzo.
La produzione additiva introduce un modello diverso: la geometria può essere mantenuta sotto forma di file digitale e il supporto fisico può essere prodotto vicino al punto d’impiego.
Questo scenario non elimina la necessità di controllare materiali, processi, sterilità, componenti biologici e sistemi di lettura, ma può rendere più flessibile la produzione della parte strutturale del dispositivo.
Per applicazioni di Defence Test and Evaluation, risposta a disastri o diagnostica in aree difficili da raggiungere, la capacità di realizzare rapidamente una piattaforma sostitutiva potrebbe ridurre la dipendenza da scorte fisiche e lunghe catene di approvvigionamento.
Un settore che va oltre la difesa
La ricerca della University of Derby è impostata in parte sulle esigenze della Defence Test and Evaluation, ma il settore dei biosensori stampati in 3D è molto più ampio.
La letteratura scientifica comprende sistemi per l’analisi di biomarcatori, dispositivi microfluidici, elettrodi stampati, piattaforme point-of-care e sensori indossabili.
Altri gruppi di ricerca hanno dimostrato, per esempio, dispositivi microfluidici stampati in 3D per l’analisi del sudore e il monitoraggio di parametri come glucosio, lattato e acido urico.
La produzione additiva permette inoltre di adattare la geometria del dispositivo all’applicazione, integrare canali fluidici con altre funzioni e sviluppare piccole serie di sensori senza creare attrezzature dedicate per ogni variante.
Questo non significa che una stampante FFF possa sostituire da sola le tecnologie microelettroniche o i processi di fabbricazione tradizionali. Più probabilmente, la produzione additiva può diventare uno degli elementi di architetture ibride nelle quali parti stampate, elettrodi, elementi biologici, microfluidica ed elettronica vengono combinati in un unico dispositivo.
Il ruolo dei materiali funzionali nella stampa 3D
Il risultato ottenuto con il GPLA evidenzia anche una direzione più generale per la manifattura additiva.
La stampa 3D non viene più utilizzata esclusivamente per produrre forme.
Filamenti caricati con grafene, carbonio e altri materiali funzionali permettono di attribuire alle parti stampate proprietà elettriche, termiche o meccaniche che possono trasformare un semplice componente in una parte attiva del sistema.
La sfida consiste nel trovare un equilibrio tra quantità e distribuzione del filler, conducibilità, viscosità del materiale, adesione tra gli strati e qualità geometrica.
Per applicazioni come il biosensing, questo equilibrio è particolarmente delicato perché il materiale deve essere contemporaneamente stampabile, ripetibile e compatibile con le successive operazioni di funzionalizzazione.
Il lavoro della University of Derby suggerisce che il PLA rinforzato con grafene possa rappresentare una base interessante proprio perché combina più di una di queste proprietà.
La strada verso un biosensore utilizzabile sul campo richiede ancora la dimostrazione della risposta biologica, della selettività e della stabilità in condizioni reali. Tuttavia, la ricerca sposta l’attenzione su un punto essenziale: prima di chiedere a un sensore stampato in 3D di identificare una sostanza, è necessario assicurarsi che la struttura sulla quale quel sensore è costruito possa essere fabbricata in modo sufficientemente controllato e ripetibile.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
