Stampa 3d microfluidica open source a basso costo

I RICERCATORI APRONO LA STAMPA 3D DI MICROFLUIDICA OPEN SOURCE A BASSO COSTO

Un team di ricercatori dell’Università di Bristol ha sviluppato un nuovo processo di stampa 3D a basso costo e open source per la produzione di dispositivi microfluidici.

Un chip microfluidico è un insieme di micro-canali incisi o stampati in un materiale, come vetro, silicio o, in questo caso, PolyDimethylSiloxane (PDMS), che sono collegati al mondo esterno da input e output perforati attraverso il chip. Attraverso questi fori, liquidi o gas possono essere iniettati e rimossi da sistemi attivi o passivi esterni per applicazioni in campo biomedico come i laboratori su chip (LOC), la ricerca sulla biologia cellulare e la cristallizzazione delle proteine.

Richiedendo solo semplici apparecchiature domestiche e una stampante 3D desktop standard, ed essendo stato sviluppato in un software gratuito, il processo dei ricercatori riduce il costo e la complessità della fabbricazione della microfluidica per rendere il campo più accessibile.

Il team ritiene che il loro approccio potrebbe abbassare drasticamente la soglia per la ricerca e l’istruzione sulla microfluidica, rendendo possibile la prototipazione rapida di una tecnologia diagnostica LOC a prezzi accessibili al point-of-care (POC).

Per decenni, la tecnologia LOC è stata annunciata per rispondere a una serie di sfide biologiche, chimiche e sanitarie. Tuttavia, deve ancora vedere un’adozione e una distribuzione significative a causa del costo sia a livello di ricerca che nella fase di produzione di massa.

Le tecnologie LOC sono supportate dal campo della microfluidica, che sta assistendo a una crescente esplorazione delle tecniche di stampa 3D per far avanzare la tecnologia e aumentarne l’accessibilità.

Nel 2018, i ricercatori del New York Genome Center e della New York University hanno sviluppato uno strumento di controllo microfluidico di goccioline stampate in 3D open source che, secondo quanto riferito, era fino a 200 volte più economico di altri strumenti comparabili. Progettato per identificare e indirizzare le cellule corrette per il trattamento di malattie come l’artrite reumatoide, lo strumento potrebbe essere ottenuto e assemblato per circa $ 600.

Altrove, è stato sviluppato un processo per stampare in 3D dispositivi microfluidici integrati con la gestione dei fluidi e componenti funzionali. Sviluppata dalla Singapore University of Technology and Design , la tecnica mirava a consentire la prototipazione rapida della microfluidica per applicazioni LOC nei test chimici e nell’analisi cellulare.

Più di recente, i ricercatori della UC Davis hanno svelato un nuovo approccio alla stampa 3D utilizzando la microfluidica, che prevedeva la distribuzione di un sistema microfluidico basato su goccioline per stampare in 3D in modo efficiente materiali flessibili finemente sintonizzati. Le possibili applicazioni della tecnologia includono robotica morbida, ingegneria dei tessuti e tecnologia indossabile.

I ricercatori hanno iniziato con la stampa 3D interconnettendo scaffold a microcanali con una stampante 3D Ultimaker 3 Extended utilizzando PLA, che sono stati quindi legati termicamente a un substrato di vetro nella configurazione desiderata per creare uno stampo principale del dispositivo microfluidico.

I microcanali sono stati progettati in una gamma di modelli modulari, ciascuno con estremità del connettore a sfera ad incastro, utilizzando il software di slicing open source Cura di Ultimaker. Queste estremità sono state sviluppate per imitare i pezzi del puzzle. I moduli successivi potrebbero essere disposti in qualsiasi configurazione desiderata, consentendo la creazione di sistemi microfluidici più sofisticati utilizzando un numero limitato di moduli semplici. Un aspetto chiave di questa parte del processo dei ricercatori è che è facile e chiaro da replicare per utenti non esperti.

I moduli microcanali stampati in 3D sono stati quindi montati su vetrini standard per microscopio in vetro di 1 mm di spessore nella configurazione desiderata, utilizzando i connettori a sfera. I canali sono stati quindi riscaldati per circa un minuto per legarli al vetro con uno scivolo appesantito posto sopra per evitare deformazioni e restringimenti. Dopo il riscaldamento, i vetrini sono stati parzialmente fusi e posizionati con il lato appesantito verso il basso su una piastra metallica per raffreddare rapidamente il vetrino pesato e rimuoverlo dallo stampo.

Lo stampo master può essere utilizzato ancora e ancora per produrre dispositivi microfluidici in PDMS. Dopo la stampa, il processo di fabbricazione dello stampo principale può essere completato in meno di cinque minuti, consentendo di utilizzare il metodo per ambienti di apprendimento sia formali che informali.

Per garantire che la tecnica proposta sia completamente democratizzata, i ricercatori hanno sviluppato un componente aggiuntivo open source Autodesk Fusion che consente a qualsiasi utente di progettare ed esportare scaffold di canali microfluidici interconnessi per la stampa 3D. Utilizzando questo plug-in, un utente può passare dalla progettazione di un canale microfluidico a un canale microfluidico completo senza richiedere esperienza nel software CAD o tecniche o apparecchiature ad alta intensità di risorse.

Gli utenti possono prototipare l’interconnessione di canali microfluidici fino a una risoluzione di 100 μm di larghezza, stampando i propri progetti o scegliendo da una vasta libreria di scaffold a microcanali elencati nel componente aggiuntivo. È stato inoltre reso disponibile un set di istruzioni di protocols.io che descrive in dettaglio il processo completo dei ricercatori, con collegamenti al componente aggiuntivo e ai profili aggiornati.

Usando questa tecnica, gli utenti possono fabbricare dispositivi microfluidici da PDMS solo con apparecchiature domestiche e senza sostanze chimiche pericolose, rendendo così la sperimentazione microfluidica accessibile a scuole, hobbisti e ricercatori, indipendentemente dalle loro risorse. Il team spera che questo approccio sarà adottato da ricercatori ed educatori di tutto il mondo per “aiutare a ispirare la prossima generazione di sviluppatori lab-on-a-chip”.

Inoltre, i ricercatori ritengono che la loro tecnica potrebbe aprire la strada a test diagnostici LOC “veramente convenienti”, che possono essere eseguiti presso il punto di cura, applicando i canali PDMS microfluidici direttamente a qualsiasi superficie di vetro pulita, come un cellulare lo schermo del telefono o il parabrezza dell’auto.

Ulteriori dettagli sullo studio possono essere trovati nel documento intitolato “Fabbricazione di dispositivi microfluidici a costi trascurabili utilizzando scaffold di canali di interconnessione stampati in 3D”, pubblicato sulla rivista Plos One. Lo studio è coautore di H. Felton, R. Hughes e A. Diaz-Gaxiola.

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