Una produzione ibrida di dispositivi di microfluidica a beneficio della diagnostica medica
I sistemi microelettromeccanici microfluidici sono dispositivi di precisione nanometrici che combinano componenti meccanici ed elettrici in grado di effettuare la manipolazione dei fluidi. Considerata la loro capacità di gestire volumi di campionamento con dimensioni inferiori al millilitro, possono essere impiegati come dispositivi di diagnosi medica con funzioni intelligenti quali il rilevamento molecolare e l’analisi del segnale. Ribattezzati «lab-on-a-chip», questi dispositivi, spesso composti da polimeri per le loro proprietà vantaggiose, offrono volumi inferiori di reagenti, elaborazione rapida e controllo preciso, ma i materiali e il processo di fabbricazione ne rendono difficile la produzione. «La fattibilità funzionale e commerciale dei dispositivi polimerici di microfluidica dipende dall’integrazione economica sotto il profilo dei costi di molteplici funzionalità, materiali e processi con precisione e ripetibilità», afferma Costas Charitidis, coordinatore del progetto M3DLoC, finanziato dall’UE, e direttore del laboratorio R-Nano presso il Politecnico nazionale di Atene (NTUA), sede del progetto. M3DLoC ha sviluppato una linea pilota di produzione digitale prototipo in grado di produrre proprio questa microfluidica polimerica, con soluzioni su misura che spaziano da bassi volumi di produzione a partite su scala pilota di 10-1 000 dispositivi, in base alle dimensioni, ai requisiti del saggio e alla complessità complessiva della progettazione delle caratteristiche. «Servendoci di tecnologie di stampa 3D nelle catene ibride dei processi di addizione-sottrazione, abbiamo istituito una linea di produzione completamente digitale e automatizzata. Questa linea di produzione pilota unica nel suo genere e leader a livello internazionale potrebbe aprire nuove opportunità di mercato all’interno dell’industria biomedica», aggiunge Eleni Gkartzou, membro del team di coordinamento del progetto dell’NTUA.
Il processo di produzione ibrido
La linea di produzione pilota del progetto M3DLoC è composta da cinque stazioni di lavorazione e da due sistemi di metrologia in linea per l’assicurazione della qualità dei componenti. Le fasi nella sequenza di produzione possono essere alterate, combinando la produzione additiva basata sull’estrusione e la stampa a getto d’inchiostro con la microlavorazione e la lavorazione laser. «Tale approccio integrato collega la microfabbricazione flessibile e l’integrazione multimateriale per la produzione di caratteristiche di microfluidica dall’elevato rapporto di aspetto sui substrati polimerici, incorporando al contempo elettrodi microstrutturati a base di carbonio e biomolecole depositate con precisione, fino a volumi delle dimensioni di picolitri», spiega Dimitrios Fantanas, anch’egli membro del team di coordinamento del progetto dell’NTUA.
L’integrazione dell’analisi di campioni all’interno di una cartuccia
Il progetto ha dimostrato la capacità della linea di produzione di fabbricare dispositivi adatti alla diagnosi clinica, utilizzando protocolli e saggi sviluppati dagli esperti di microfluidica e dagli utenti finali, per biomarcatori virali (HIV, SARS-CoV-2), batterici (ceppi batterici di tubercolosi farmaco-resistente) e tumorali (mutazioni del recettore per il fattore di crescita epidermico). Sono stati simulati vari parametri (controllo dei fluidi, progettazioni dei sensori e produzione) in base ai requisiti degli utenti finali. Inoltre, sono stati sviluppati materiali termoplastici bioderivati e inchiostri conduttivi a base d’acqua con un basso impatto ambientale, in grado di sostituire i materiali più tradizionali quali il silicone e il vetro. «I risultati hanno dimostrato che i dispositivi M3DLoC sono adatti all’analisi di campioni clinici difficili e sono paragonabili ai metodi di riferimento convalidati clinicamente», osserva Charitidis.
Una catena del valore completa per molteplici applicazioni
Il progetto M3DLoC e i suoi partner hanno gestito con successo le restrizioni della pandemia di COVID-19, quando il sistema di produzione additiva di M3DLoC è stato impiegato per produrre dispositivi di protezione personale per gli operatori sanitari. Hanno sormontato gli ostacoli legati alla pandemia per sviluppare una catena del valore completa dalla progettazione del prototipo, dallo sviluppo dei materiali e dalla produzione e attuazione fino alla valutazione delle prestazioni. «I saggi economici e a elevate prestazioni offrono una diagnosi più precoce, una medicina personalizzata e un migliore follow-up dei pazienti, riducendo i costi sanitari e migliorando la qualità della vita», afferma Charitidis. Questi dispositivi diagnostici potrebbero inoltre migliorare le tecniche di controllo della qualità nell’industria chimica, petrolifera e del gas, farmaceutica e alimentare, nonché contribuire a sistemi per il controllo ambientale e agricolo. «La linea pilota è a disposizioni degli utenti finali che necessitano di una struttura di microfabbricazione in un contesto industriale ad accesso aperto per la produzione pilota di dispositivi medici. Accelera la transizione dalla ricerca e dallo sviluppo alla produzione pre-commerciale, mediante una rapida prototipazione, avvalendosi di una produzione completamente digitalizzata», conclude Charitidis.
Parole chiave
M3DLoC, produzione additiva, stampa 3D, lab-on-a-chip, multifluidico, polimerico, saggi, diagnostico, SARS-CoV-2
