Medicina

Microaghi stampati in 3D per il monitoraggio continuo del glucosio

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Per molti dei 422 milioni di persone in tutto il mondo che vivono con il diabete, il monitoraggio del glucosio è un compito quotidiano necessario e scomodo che richiede una dolorosa puntura di spillo per testare il sangue. Le tecnologie più recenti, come FreeStyle Libre, offrono un monitoraggio continuo, ma il sistema richiede ancora che un ago metallico rigido da 5 mm venga guidato nella pelle. Sebbene non sia fastidioso come la lancia a punta di dito, è comunque scomodo per il paziente. Con l’obiettivo di sviluppare una soluzione più comoda per l’utente, l’AIT – Austrian Institute of Technology – ha collaborato con DirectSens e In-Vision per lanciare il progetto di ricerca NUMBAT. NUMBAT mira a sfruttare la stampa 3D DLP ad alta risoluzione per creare una serie di microaghi polimerici per il monitoraggio continuo del glucosio (CGM) minimamente invasivo e meno doloroso.

Il successo del proof-of-concept NUMBAT apre le porte allo sviluppo di array di microaghi personalizzati e mostra anche risultati promettenti per altre applicazioni, inclusa la somministrazione intradermica di farmaci.

Un approccio più confortevole al monitoraggio continuo del glucosio

Sulla base della letteratura di ricerca precedente, il team dell’AIT ha capito che la soluzione di microaghi che avevano immaginato avrebbe richiesto tre componenti: i microaghi stessi, la metallizzazione per consentire la definizione degli elettrodi per le misurazioni elettrochimiche e uno strato di biofunzionalizzazione, una modifica della superficie che consente il rilevamento del glucosio con trasferimento diretto di elettroni all’elettrodo.
Tutto questo sarebbe posto su un foglio flessibile che, quando applicato sulla pelle come un cerotto, monitorerebbe in tempo reale il livello di glucosio nel liquido interstiziale dermico, appena sotto la superficie della pelle senza raggiungere nervi o vasi sanguigni.

L’AIT ha rapidamente stabilito che un processo di metallizzazione convenzionale sarebbe stato sufficiente, ma la biofunzionalizzazione ei microaghi avrebbero richiesto un nuovo approccio. I glucometri tradizionali a puntura del dito utilizzano la glucosio ossidasi, che consente la generazione di un segnale in presenza di glucosio nel campione di sangue. Tuttavia, per trasportare il segnale elettronico all’elettrodo, i glucometri richiedono anche mediatori parzialmente tossici, che sono un fattore limitante per applicazioni minimamente invasive.

Il biosensore enzimatico DET di terza generazione fornito da DirectSens rispetto alle generazioni precedenti

Per risolvere questo problema, AIT ha collaborato con DirectSens, un pioniere nei biosensori di terza generazione. La tecnologia DirectSens ha fornito la biofunzionalizzazione sicura e diretta dell’enzima di trasferimento di elettroni necessaria per la nuova modifica della superficie e i microaghi previsti dall’AIT. Ciò ha permesso al team di abbassare la tensione necessaria per far funzionare i biosensori NUMBAT, riducendo quindi le interferenze e consentendo prestazioni di maggiore durata.

La sfida dei microaghi

Risolto il problema della biofunzionalizzazione, si è passati ai microaghi. Poiché il team mirava ad aghi estremamente piccoli, appena 500 micron o 0,5 mm di altezza con una punta larga 2 micron, sapevano che produrre proiettili così fini sarebbe stato difficile con la tecnologia convenzionale.

Vista della stampante 3D NUMBAT che mostra il proiettore UV DLP sopra l’area di stampa.

Lo stampaggio a microiniezione tradizionale, ad esempio, non sarebbe flessibile in termini di personalizzazione del layout dei microaghi e ostacolerebbe la sperimentazione. Sebbene ciò possa funzionare in un ambiente di produzione, durante le prove, ogni tentativo richiederebbe la creazione di un nuovo stampo ad alta precisione, che aggiungerebbe tempo, costi e complessità al processo di ricerca. Nel frattempo, AIT sapeva che le tecnologie di stampa 3D TPP sarebbero state troppo lente e molto più costose.

DLP offre velocità, flessibilità e precisione

AIT ha optato per la stampa microstereolitografica basata su DLP come la migliore soluzione per fornire la flessibilità richiesta, sia nel materiale del substrato che nella sperimentazione. Per creare la stampante 3D per micro-stereolitografia, AIT ha collaborato con In-Vision, che ha fornito il suo proiettore DLP UV Firebird dotato di un design dell’obiettivo personalizzato. Con un pixel pitch di 2 micron e una risoluzione nativa di 2560×1600, il proiettore Firebird ha fornito la precisione e la personalizzazione necessarie per raggiungere le specifiche di NUMBAT.

“L’alta risoluzione del motore luminoso è stato il fattore critico”, ha affermato Giorgio Mutinati, ingegnere ricercatore senior, diagnostica molecolare, presso il Centro per la salute e le risorse biologiche dell’AIT. “Con la sua risoluzione di 2 micron pixel e il design ottico, il proiettore era oltre lo stato dell’arte di cui avevamo bisogno per abilitare e promuovere il processo di sviluppo”.

Disegno del setup di micro-stereolitografia realizzato per il progetto NUMBAT.

In-Vision ha anche collaborato con il team AIT per realizzare la stampante e fornire e aiutare a programmare il software richiesto. “Oltre al proiettore, il software basato su In-Vision LabView era una parte fondamentale del progetto”, ha affermato Giorgio. “In-Vision ha lavorato con noi per costruire il sistema secondo le nostre specifiche e continuare a supportarci in questo progetto”.

Nuovo potenziale nella tecnologia dei microaghi

Con NUMBAT che ha raggiunto il livello di preparazione tecnologica 4, il team è pronto a dimostrare la fattibilità delle tecnologie a livello di biosensori, ma sta anche formulando nuovi piani di progetto per esplorare ulteriormente la tecnologia di stampa che hanno sviluppato. Le prospettive includono lo sviluppo di un cerotto con microaghi per altri biomarcatori come il lattato, l’incorporazione di sensori biofunzionalizzati per più biomarcatori nello stesso cerotto o persino l’inclusione di aghi cavi per la somministrazione di farmaci per creare una soluzione a ciclo chiuso.

“Le capacità ad alta risoluzione di questa stampante ci offrono così tante opzioni e stiamo cercando partner per sfruttare ulteriormente questa tecnologia attraverso ulteriori ricerche sugli aghi e sulle varie geometrie degli aghi”, ha affermato Giorgio. “La velocità competitiva e la flessibilità della tecnologia aprono le porte a molte nuove e nuove applicazioni”.

 

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Andrea Gambini

Mi piace leggere e scrivere da sempre. Ho iniziato a lavorare in redazione come giornalista sportivo nel 2008, poi la passione per il giornalismo e per il mondo della comunicazione in generale, mi ha permesso di ampliare notevolmente i miei interessi, arrivando negli anni a collaborare con le più svariate testate giornalistiche online. Mi sono poi avvicinato alla stampa 3D, colpito dalle grandissime potenzialità di questa nuova tecnologia, che giorno dopo giorno mi hanno spinto a informarmi sempre più su quella che considero una vera rivoluzione che si farà presto sentire in tantissimi campi della nostra vita quotidiana.

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