Sensori 3D a basso costo per infarto, malassorbimento e malattie intestinali
Dalla produzione industriale alla fabbricazione distribuita
Un gruppo di ricerca della University of Brighton, coordinato dal professor Bhavik Patel, sta sviluppando sensori elettrochimici destinati alla diagnostica medica che possono essere fabbricati con stampanti 3D da banco, filamenti conduttivi e componenti elettronici di uso comune. Il lavoro nasce dall’obiettivo di ridurre non soltanto il prezzo del singolo dispositivo, ma anche la dipendenza da impianti produttivi complessi, attrezzature proprietarie e catene di fornitura difficili da raggiungere nei sistemi sanitari con risorse limitate.
I prototipi presentati dal gruppo britannico costano da meno di dieci pence a circa trenta pence per unità, a seconda del tipo di sensore e dei materiali impiegati. Questi valori riguardano il dispositivo sperimentale e non rappresentano il prezzo finale di un eventuale test clinico, che dovrebbe comprendere reagenti, elettronica di lettura, confezionamento, controllo qualità, distribuzione e procedure regolatorie. Il costo di fabbricazione resta però un indicatore importante: dimostra che la parte elettrochimica del sistema può essere realizzata con quantità ridotte di materiale e senza ricorrere alle linee produttive normalmente associate agli strumenti diagnostici.
Il programma della University of Brighton comprende sensori dedicati alla malassorbimento intestinale, alle malattie infiammatorie intestinali, all’infarto miocardico e alla rilevazione di microRNA collegati a diverse patologie. Alcuni dispositivi sono stati provati su campioni biologici o siero umano; altri si trovano ancora nella fase di laboratorio. Nessuno di questi prototipi deve quindi essere considerato un prodotto diagnostico già disponibile per ospedali, ambulatori o pazienti.
Come funziona un sensore elettrochimico stampato in 3D
La tecnologia impiegata in molti di questi studi è la fabbricazione a filamento fuso, indicata con le sigle FFF o FDM. Una stampante riscalda un filamento termoplastico e lo deposita in strati successivi seguendo un modello digitale. Per produrre gli elettrodi, al materiale plastico vengono aggiunte sostanze conduttive come nerofumo, rame o nanotubi di carbonio a parete multipla.
Il polimero più utilizzato è il PLA, acido polilattico. Nelle comuni stampe tridimensionali il PLA svolge una funzione strutturale, mentre nei sensori viene combinato con particelle conduttive che permettono il passaggio della corrente. Dopo la stampa, la superficie può essere trattata per esporre una quantità maggiore di materiale elettroattivo oppure rivestita con oro, rame, blu di Prussia, polimeri conduttori, anticorpi o sonde di DNA.
Quando una sostanza presente nel campione interagisce con la superficie del sensore, cambia una proprietà elettrica misurabile, per esempio la corrente, il potenziale o l’impedenza. Il segnale viene raccolto da un potenziostato o da un circuito elettronico e convertito in un valore associato alla concentrazione del biomarcatore.
La stampa 3D permette inoltre di intervenire sulla geometria dell’elettrodo. Un sensore non deve essere necessariamente piatto: può assumere la forma di un’elica, di una microsonda, di una struttura a torre oppure essere inserito in un pozzetto capace di contenere piccole quantità di liquido. Aumentare l’area della superficie o controllare meglio il modo in cui il campione entra in contatto con l’elettrodo può migliorare la sensibilità e la ripetibilità della misurazione.
Un sensore per misurare gli zuccheri nelle feci
Uno dei progetti della University of Brighton è stato condotto da Chloe Miller, Athira Prasanth e Bhavik Patel. Il gruppo ha sviluppato un elettrodo stampato mediante estrusione di due materiali: un filamento di PLA con nerofumo e un filamento di PLA contenente rame. I due componenti sono stati integrati in una struttura elicoidale, creando una superficie adatta alla misurazione elettrochimica degli zuccheri riducenti.
La presenza di quantità anomale di zuccheri nelle feci può indicare che alcuni carboidrati non sono stati digeriti o assorbiti correttamente. Questa condizione può comparire in pazienti con disturbi gastrointestinali e può avere conseguenze rilevanti nei bambini, nelle persone anziane e nei soggetti con patologie intestinali.
Il confronto sperimentale è stato effettuato anche con il reattivo di Benedict, un metodo basato sul cambiamento di colore utilizzato per individuare gli zuccheri riducenti. Il sensore stampato in 3D ha riconosciuto variazioni nella concentrazione e nella composizione degli zuccheri che il test con il reattivo di Benedict non aveva rilevato. È risultato inoltre selettivo rispetto a diverse sostanze interferenti presenti nei campioni fecali.
Il costo indicato per la fabbricazione dell’elettrodo è inferiore a dieci pence. Il dispositivo è stato provato su campioni biologici e ha rilevato differenze nei livelli complessivi di zuccheri, comprese variazioni associate all’età nei modelli studiati. Per stabilire se possa diventare uno strumento di screening del malassorbimento sarà però necessario confrontarlo con le procedure cliniche di riferimento, provarlo su gruppi di pazienti più ampi e definire valori soglia affidabili.
La rilevazione del TNF-alfa nelle malattie intestinali
Un secondo progetto della University of Brighton riguarda il TNF-alfa, una proteina coinvolta nei processi infiammatori. Concentrazioni alterate di questa molecola sono associate a diverse condizioni, tra cui la colite ulcerosa e altre malattie infiammatorie intestinali.
Il gruppo formato da Khalil Hussain, Ryan Hopkins, Mark Yeoman e Bhavik Patel ha realizzato un elettrodo tridimensionale con una superficie composta da strutture verticali simili a piccoli grattacieli. Questa configurazione aumenta l’area disponibile per immobilizzare gli elementi biologici incaricati di riconoscere il TNF-alfa.
Sulla superficie sono state depositate nanoparticelle d’oro, seguite da un polimero conduttore e da anticorpi specifici contro il biomarcatore. Quando il TNF-alfa si lega agli anticorpi, modifica le proprietà elettrochimiche dell’elettrodo e produce un segnale misurabile.
Il sensore ha mostrato un intervallo lineare compreso tra 160 e 1.820 picogrammi per millilitro e un limite di rilevazione di 44,5 picogrammi per millilitro. Nei test su materiale fecale ha distinto il TNF-alfa da altre molecole extracellulari ed evidenziato variazioni legate all’età nei campioni analizzati.
La misurazione fecale potrebbe offrire una modalità meno invasiva per seguire l’infiammazione intestinale. Un singolo biomarcatore, tuttavia, non è sufficiente per formulare una diagnosi. Il valore clinico del dispositivo dipenderà dalla capacità di distinguere pazienti con malattia attiva, persone in remissione e soggetti con altre condizioni gastrointestinali.
La ricerca si collega anche a un programma più ampio della University of Brighton dedicato a dispositivi in grado di monitorare l’ambiente intestinale. La prospettiva comprende sistemi impiantabili capaci di misurare segnali biologici e, in futuro, di rilasciare farmaci nel punto in cui sono necessari. Si tratta di un obiettivo distinto dai sensori monouso e richiede verifiche più estese su biocompatibilità, stabilità, sicurezza e risposta dei tessuti.
Un test stampato in 3D per la troponina cardiaca
La troponina cardiaca è uno dei principali biomarcatori utilizzati per valutare un possibile infarto miocardico. Quando il muscolo cardiaco subisce un danno, alcune forme di troponina vengono rilasciate nel sangue. La loro misurazione deve essere molto sensibile, perché nelle persone sane le concentrazioni sono basse e le variazioni clinicamente utili possono essere contenute.
Per questo progetto la University of Brighton ha collaborato con la University of Strathclyde e con il National Measurement Laboratory, gestito da LGC Group. Lo studio ha coinvolto, tra gli altri, Niamh Docherty, Chloe Miller, Damion Corrigan e Bhavik Patel.
I ricercatori hanno confrontato filamenti contenenti PLA, nerofumo e nanotubi di carbonio a parete multipla. Hanno inoltre ridotto le dimensioni degli elettrodi fino alla scala micrometrica. Gli elettrodi più piccoli hanno prodotto una maggiore densità di corrente e un rumore di fondo inferiore rispetto alle strutture di dimensioni maggiori.
Il sistema è stato applicato a un immunodosaggio elettrochimico per la troponina cardiaca I. Nel siero umano non diluito ha raggiunto un limite di rilevazione di 7,4 picogrammi per millilitro, circa diciannove volte più basso rispetto a quello ottenuto con gli elettrodi più grandi dello stesso materiale. Una versione ottimizzata per ridurre i tempi di incubazione ha raggiunto una soglia di 85 picogrammi per millilitro in un’ora.
Per aumentare la regolarità delle misure, il gruppo ha stampato anche un accessorio denominato “Consistent Dipper”, progettato per guidare l’immersione degli elettrodi ed evitare movimenti durante la lettura amperometrica. Questo elemento mostra un altro vantaggio della fabbricazione additiva: non consente soltanto di costruire l’elettrodo, ma anche supporti, alloggiamenti e componenti che rendono più uniforme il protocollo di analisi.
Il costo comunicato per l’elemento stampato è di circa venti pence. Un dispositivo destinato al pronto soccorso dovrebbe comunque integrare la raccolta del campione, la separazione del siero o del plasma, il controllo delle interferenze, la calibrazione, l’elettronica di lettura e un sistema per comunicare il risultato al personale sanitario.
MicroRNA associati al cancro e ad altre patologie
Un’altra collaborazione ha riunito la University of Brighton e la University of Naples Federico II. Chloe Miller, Bhavik Patel, Panagiota M. Kalligosfyri e Stefano Cinti hanno sviluppato un sistema completamente stampato in 3D per la rilevazione di microRNA.
I microRNA sono piccole molecole di RNA che regolano l’espressione dei geni. Alcuni profili di microRNA possono essere associati a tumori, malattie cardiovascolari e disturbi neurodegenerativi. Le tecniche utilizzate per misurarli, come il sequenziamento e alcune forme di PCR digitale, possono richiedere apparecchiature costose, laboratori specializzati e personale formato.
Il dispositivo comprende un piccolo pozzetto e tre elettrodi che possono essere inseriti nella struttura stampata. Il pozzetto limita la dispersione del campione, distribuisce i reagenti sulla superficie attiva e riduce i volumi necessari. L’elettrodo di lavoro viene rivestito d’oro e funzionalizzato con una sonda di DNA marcata con blu di metilene.
In assenza del microRNA bersaglio, il marcatore scambia elettroni con la superficie dell’elettrodo. Quando il microRNA si lega alla sonda, la struttura molecolare cambia e la corrente diminuisce. L’entità di questa variazione permette di stimare la quantità di bersaglio presente.
Nei test di laboratorio il sistema ha raggiunto un limite di rilevazione pari a un picomolare, con prestazioni paragonabili a quelle di altri sensori elettrochimici modificati. Il costo stimato, comprendente stampa e collegamenti elettrici, è di circa trenta pence.
Lo studio indica l’impiego di una stampante FlashForge Creator Pro, di un filamento conduttivo commercializzato con il marchio Proto-pasta e di un potenziostato prodotto da CH Instruments. Queste aziende sono indicate come fornitori delle tecnologie e dei materiali utilizzati, non come partner scientifici del progetto.
Il prototipo è stato provato con siero commerciale e soluzioni controllate. Il passaggio successivo consiste nell’utilizzare campioni clinici reali e verificare l’effetto di proteine, sali, cellule, farmaci e altre sostanze che possono alterare il segnale. Sarà inoltre necessario valutare se il test riesca a distinguere in modo affidabile persone con e senza una determinata patologia.
Ridurre materiali e rifiuti senza confondere il PLA con un materiale sempre biodegradabile
La sostenibilità è una delle linee di ricerca dichiarate dal gruppo di Brighton. Molti biosensori sono monouso e combinano plastiche, metalli, reagenti biologici e sostanze chimiche. Una volta utilizzati, questi elementi possono diventare rifiuti sanitari e richiedere procedure specifiche di smaltimento.
In uno studio separato, i ricercatori della University of Brighton hanno confrontato elettrodi realizzati con percentuali diverse di riempimento interno. Gli elettrodi stampati con un riempimento del 30 per cento hanno utilizzato il 44 per cento in meno di materiale a base di PLA e nerofumo rispetto a quelli completamente pieni. Nelle prove sulla dopamina non sono emerse differenze nella sensibilità o nel limite di rilevazione.
Il risultato suggerisce che una parte del materiale presente nei sensori tradizionalmente pieni può essere eliminata senza peggiorare alcune prestazioni elettrochimiche. La riduzione alla fonte è però soltanto un elemento della valutazione ambientale.
Il PLA viene spesso descritto come una plastica biodegradabile, ma la sua degradazione richiede condizioni controllate che non sono disponibili in ogni sistema di gestione dei rifiuti. L’aggiunta di nerofumo, nanotubi di carbonio, rame, oro e reagenti biologici rende inoltre il riciclo più complesso. Per dimostrare un beneficio ambientale complessivo sarà necessario esaminare l’intero ciclo di vita: produzione dei filamenti, consumo energetico della stampa, durata, sterilizzazione, trasporto, possibilità di riutilizzare l’alloggiamento e trattamento del componente sensibile dopo l’uso.
Una soluzione plausibile consiste nel separare le parti. Il pozzetto o il supporto potrebbero essere riutilizzati, mentre l’elettrodo funzionalizzato, entrato in contatto con il campione biologico, potrebbe essere sostituito. Questa impostazione ridurrebbe i rifiuti senza compromettere le procedure di sicurezza.
Il valore della produzione locale
Il costo ridotto degli elettrodi non è l’unico elemento di interesse. La fabbricazione digitale consente di inviare un progetto come file, modificarlo in base al biomarcatore e produrlo vicino al luogo di utilizzo. Un laboratorio universitario, un ospedale regionale o un centro di ricerca dotato di una stampante adeguata potrebbe realizzare piccole serie senza ordinare stampi o attendere una produzione industriale centralizzata.
Questa caratteristica può essere utile durante lo sviluppo di nuovi test, quando il disegno dell’elettrodo cambia più volte. Può inoltre facilitare la costruzione di dispositivi destinati a patologie poco studiate o a popolazioni per le quali il mercato non giustifica grandi volumi produttivi.
La produzione distribuita non elimina però la necessità di standardizzazione. Due stampanti dello stesso modello possono depositare il materiale in modo diverso a causa dell’usura dell’ugello, della temperatura, dell’umidità del filamento o della calibrazione. Anche variazioni apparentemente piccole nella velocità di stampa, nello spessore degli strati e nell’orientamento dell’oggetto possono modificare la resistenza elettrica e l’area attiva.
Per un sensore medico non è sufficiente condividere il file tridimensionale. Servono procedure per controllare materie prime, parametri di stampa, trattamento della superficie, conservazione, calibrazione e prestazioni di ogni lotto. La produzione locale può ridurre le distanze, ma deve essere accompagnata da un sistema di qualità verificabile.
Il contesto della diagnostica vicina al paziente
L’Organizzazione mondiale della sanità considera l’accesso alla diagnostica una componente essenziale della prevenzione, della scelta terapeutica e del monitoraggio delle malattie. In molte aree geografiche, le distanze dai laboratori, la carenza di personale e la manutenzione delle apparecchiature rendono difficile eseguire anche analisi disponibili da tempo nei sistemi sanitari più ricchi.
I test point-of-care cercano di spostare una parte dell’analisi vicino al paziente. Per essere utili non devono soltanto essere economici. Devono produrre risultati comprensibili, resistere alle condizioni di trasporto e conservazione, richiedere pochi passaggi manuali e limitare il rischio di contaminazione.
I sensori stampati in 3D possono contribuire a ridurre il costo e a integrare elettrodi, contenitori e microcanali. Non risolvono da soli i problemi legati alla raccolta del campione, alla disponibilità dei reagenti, alla formazione degli operatori e alla connessione con i servizi sanitari.
Un esempio parallelo arriva dalla University of California, Los Angeles, dove il gruppo di Jun Chen ha realizzato una penna magnetoelastica stampata in 3D che registra i movimenti della scrittura. Il dispositivo utilizza una punta in silicone, un inchiostro con particelle magnetiche e un sistema di analisi basato sull’intelligenza artificiale per riconoscere schemi motori associati alla malattia di Parkinson. Lo studio pilota ha coinvolto sedici partecipanti, soltanto tre dei quali affetti dalla malattia: un campione ancora troppo piccolo per stabilire l’efficacia diagnostica, ma utile per dimostrare il principio di funzionamento.
Nel campo delle protesi, l’organizzazione britannica STAND utilizza tecniche digitali per ampliare l’accesso ai servizi riabilitativi in Gambia, con il sostegno dell’Unione europea e il contributo di istituzioni accademiche come la University of Southampton. La scansione tridimensionale e la progettazione digitale possono ridurre alcuni passaggi manuali nella produzione degli invasi protesici, pur mantenendo necessario il controllo di un tecnico qualificato.
Questi progetti sono diversi tra loro, ma condividono un’impostazione: usare strumenti digitali e fabbricazione additiva per ridurre la dipendenza da infrastrutture centralizzate.
Dai prototipi ai dispositivi clinici
I risultati della University of Brighton, della University of Strathclyde, della University of Naples Federico II e del National Measurement Laboratory di LGC Group mostrano che elettrodi stampati con materiali economici possono raggiungere livelli di sensibilità compatibili con biomarcatori clinicamente rilevanti.
La fase successiva è più complessa della costruzione del prototipo. I sensori dovranno essere testati su campioni raccolti da popolazioni diverse, confrontati con metodi diagnostici riconosciuti e valutati in condizioni d’uso realistiche. Gli studi dovranno misurare falsi positivi, falsi negativi, precisione tra lotti, stabilità durante la conservazione e capacità degli operatori di eseguire correttamente il test.
Le autorità regolatorie sottopongono i dispositivi stampati in 3D agli stessi requisiti di sicurezza ed efficacia applicati ai prodotti fabbricati con tecniche tradizionali. La produzione additiva introduce inoltre questioni specifiche: controllo del file digitale, tracciabilità dei materiali, validazione della stampante, orientamento di fabbricazione, trattamenti successivi e verifica delle proprietà del prodotto finito.
Il principale risultato del programma di Brighton non consiste quindi nell’avere già sostituito le analisi di laboratorio. Consiste nell’aver mostrato che una parte critica dell’hardware diagnostico può essere progettata con geometrie personalizzate, prodotta con pochi materiali e adattata a biomarcatori diversi.
Se la validazione clinica confermerà i dati sperimentali, questi sensori potranno contribuire alla costruzione di test meno dipendenti da laboratori centralizzati e più adatti a ospedali periferici, ambulatori, programmi di screening e attività di ricerca condotte in contesti con infrastrutture limitate.
