Controllo in tempo reale della stampa 3D di idrogel con ultrasuoni
Un gruppo di ricerca guidato da Yuqi Jin e Arup Neogi presso la University of North Texas ha realizzato un sistema di monitoraggio in-situ basato su ultrasuoni, capace di seguire con risoluzione inferiore alla lunghezza d’onda le fasi di stampa 3D di idrogel a base di gelatina e alginato. Integrando un trasduttore a immersione da 10 MHz sulla piattaforma di bioprinting BIO X, i ricercatori hanno raccolto in modo continuo gli echi acustici generati mentre il materiale veniva depositato, consentendo di osservare fenomeni transitori fondamentali quali l’adesione tra strati, la deformazione superficiale e l’“afflosciamento” dovuto al peso.
Vantaggi rispetto alle tecniche ottiche
A differenza di soluzioni quali l’OCT o la radiografia, limitate dall’opacità dei materiali e dalle interferenze elettromagnetiche, l’ecografia penetra facilmente nei gel ad alto contenuto d’acqua. La configurazione monostatica, con il trasduttore montato su un supporto in alluminio personalizzato, ha permesso di tracciare in tempo reale i profili di riflessione generati a ogni centimetro di altezza di stampa. Grazie a simulazioni numeriche in COMSOL Multiphysics, il team ha inoltre previsto l’andamento degli echi durante la deposizione, identificando variazioni di spessore e di rigidità, nonché disturbi meccanici come graffi o irregolarità di estrusione.
Applicazioni e prospettive per la bioprinting
Sperimentando su blocchi di idrogel completamente pieni, gli studiosi hanno registrato la progressiva riduzione dell’altezza degli strati per effetto del carico gravitazionale, accompagnata da segnali acustici riconducibili a deformazioni elastiche e plastiche. Nelle strutture a rete, l’ecografia ha rivelato cedimenti e restringimenti difficili da rilevare con tecniche convenzionali. Immergendo i campioni in soluzione di CaCl₂, il sistema ha monitorato in tempo reale l’irrigidimento indotto dal reticolamento ionico e ne ha tracciato l’effetto sui profili geometrici.
I risultati aprono la strada a sistemi di controllo qualità “smart”, in grado di segnalare difetti durante la stampa, suggerire correzioni di parametri e automatizzare l’ottimizzazione del processo. Pur limitato a misure puntuali, il metodo può essere esteso con matrici phased array per coprire superfici ampie e integrato in cicli di feedback chiuso. Questo approccio è destinato a supportare la produzione di strutture di idrogel costanti e riproducibili, fondamentali per applicazioni in ingegneria tissutale, somministrazione farmaci e medicina rigenerativa.
