Stampa 3D e microfluidica: una piattaforma “digital microfluidics” con microstrutture 3D integrate per colture cellulari più realistiche
Le cellule nel corpo umano crescono e comunicano in un ambiente tridimensionale; molti test di laboratorio, però, continuano a usare colture 2D su plastiche piane, che possono alterare morfologia, interazioni cellula-cellula e risposta agli stimoli. La microfluidica ha migliorato il controllo di nutrienti, gradienti chimici e condizioni fisiche, ma spesso richiede pompe esterne, flussi continui e processi di fabbricazione complessi (tipicamente litografia e cleanroom). In questo contesto, un gruppo di ricerca della University of Macau propone una strada alternativa: integrare in modo diretto microstrutture 3D stampate sopra gli elettrodi di un chip di digital microfluidics (DMF), così da creare “nicchie” tridimensionali utili alla formazione di sferoidi cellulari, mantenendo la flessibilità della manipolazione a gocce tipica della DMF.
Che cos’è la digital microfluidics e perché è diversa dalla microfluidica “a canali”
Nella microfluidica tradizionale il liquido scorre in microcanali grazie a pompe o differenze di pressione: è un approccio efficace per simulare condizioni dinamiche, ma può diventare costoso quando i campioni sono rari o quando serve un controllo molto fine su piccoli volumi in modo programmabile. La digital microfluidics, invece, manipola gocce discrete su una griglia di elettrodi (tipicamente tramite elettrowetting), consentendo operazioni come spostamento, divisione e fusione delle gocce con logiche simili a un “micro-laboratorio” riconfigurabile. Un limite pratico, però, è che molti chip DMF sono pensati per superfici piane e non includono strutture 3D sul chip che aiutino la crescita tridimensionale delle cellule.
L’idea del team di University of Macau: microstrutture 3D stampate direttamente sul chip DMF
Nello studio “Integrated 3D microstructured digital microfluidic platform for advanced 3D cell culture” (Microsystems & Nanoengineering, 2025), gli autori descrivono una piattaforma in cui l’attuazione DMF degli elettrodi è combinata con un array di microstrutture 3D stampate sul chip, usate come impalcature (scaffold) per catturare e aggregare cellule in posizioni definite. La logica è semplice: la goccia contenente cellule viene portata via elettrodi fino alla zona di coltura; lì le micro-nicchie 3D favoriscono l’auto-assemblaggio in sferoidi e aumentano la probabilità di contatti cellula-cellula rispetto a una coltura su piano.
Il processo di fabbricazione: stereolitografia a proiezione in un solo passaggio
Un punto tecnico centrale è il metodo di produzione: il team sostituisce una catena di processi tipica dei chip DMF (deposizione strato dielettrico + rivestimento idrofobico + eventuale integrazione di microstrutture con maschere/allineamenti) con una stampa 3D “projection stereolithography” che consente, in un singolo flusso, di creare: lo strato dielettrico, una “fence” (barriera/contorno) utile alla gestione delle gocce, e l’array di microstrutture (micro-nicchie). Gli autori descrivono la realizzazione del complesso dielectric layer–fence–microstructure scaffold direttamente su un substrato con elettrodi in cromo, con l’obiettivo di evitare procedure multi-step e ridurre la dipendenza da infrastrutture di microfabbricazione avanzata.
Controllo delle gocce su superfici con microstrutture: parametri ottimizzati
Stampare microstrutture sopra l’area attiva di un chip DMF non è banale: la topografia può disturbare il movimento della goccia e aumentare la probabilità di instabilità. Per questo gli autori analizzano e ottimizzano parametri chiave, tra cui tensione applicata, altezza delle microstrutture e spaziatura degli elettrodi, valutando l’impatto sulle operazioni di base della DMF (dispersione/trasporto, fusione, movimentazione). L’obiettivo è garantire che la piattaforma resti utilizzabile come sistema DMF completo anche in presenza della micro-architettura 3D.
Dalle gocce agli sferoidi: cosa mostrano i test cellulari
Per la validazione in coltura, lo studio riporta l’impiego di cellule MCF-7 come modello, con confronto tra crescita su strutture 3D sul chip e condizioni più “piatte”/2D. Il lavoro evidenzia che le cellule, inizialmente distribuite in un contesto più vicino al 2D, si auto-assemblano rapidamente in un sferoide 3D nella nicchia, e che le analisi di vitalità e proliferazione a 24, 48 e 72 ore confermano biocompatibilità del materiale strutturale stampato e un microambiente favorevole alla crescita. In termini applicativi, l’idea è che sferoidi e microtessuti 3D rendano più informativi test di farmacologia e biologia dei tumori rispetto a molte colture 2D, perché aumentano la complessità delle interazioni cellula-cellula e la “densità tissutale” ottenibile in vitro.
Dove può essere utile: drug screening, tissue engineering e organ-on-chip
Gli autori indicano come traiettorie applicative la drug discovery/drug screening, la tissue engineering e l’integrazione con sistemi organ-on-chip. Un sistema DMF con microstrutture stampate può diventare interessante quando serve combinare automazione (gocce programmabili) con un supporto fisico 3D per microtessuti, senza costruire ogni volta dispositivi microfluidici a canali ad hoc.
Limiti dichiarati e prossimi passi tecnici
Gli autori segnalano che il sistema richiede tensioni di attuazione relativamente elevate, e che serviranno ottimizzazioni di materiali e design delle microstrutture per estendere stabilità e scalabilità della coltura nel tempo. Tra gli sviluppi indicati: integrazione di sensori sul chip, riduzione delle tensioni operative e sperimentazione di modelli multiculturali più complessi per avvicinarsi a condizioni in vivo.
