Una matrice di ugelli stampata in 3D potrebbe semplificare la produzione di microparticelle per la somministrazione di farmaci.

Ricercatori del MIT hanno dimostrato un design a basso costo per ugelli elettronici specializzati, chiamati emettitori a elettrospray triassiale, che potrebbero essere utilizzati per produrre in modo efficiente e su larga scala particelle per il rilascio controllato di farmaci o materiali autoriparanti.

Gli emettitori a elettrospray triassiale utilizzano l’elettricità per erogare con precisione tre liquidi da ugelli microscopici, generando un flusso costante con tre strati di fluido distinti. Il liquido forma goccioline multistrato, che possono solidificarsi in microparticelle stratificate.

Ad esempio, una serie di emettitori elettrospray triassiali può essere utilizzata per realizzare nanoparticelle a tre strati per il rilascio di farmaci. Lo strato esterno potrebbe erodersi lentamente nello stomaco, rivelando un secondo materiale che controlla il rilascio di un materiale interno, il quale veicola il farmaco in una specifica area dell’intestino.

Lo sviluppo di una minuscola matrice di emettitori a elettrospray richiede in genere processi di microfabbricazione costosi e lunghi all’interno di camere bianche per semiconduttori, il che ne limita l’utilizzo. Per superare questi inconvenienti, i ricercatori del MIT hanno stampato in 3D matrici di emettitori a elettrospray triassiali con 16 ugelli in un’area di circa 1 centimetro quadrato. Ogni dispositivo contiene una complessa rete di microcanali tridimensionali che alimentano uniformemente gli ugelli con il liquido.

Il loro processo di fabbricazione in un’unica fase richiede solo poche ore per produrre matrici di emettitori complesse.

Durante i test, le matrici stampate in 3D hanno generato goccioline uniformi a tre strati su larga scala. Tale uniformità è fondamentale per la produzione ad alto rendimento di microparticelle stratificate per applicazioni quali biosensori che rilevano sostanze chimiche o cellule artificiali per favorire la rigenerazione dei tessuti.

“Non saremmo in grado di realizzare un dispositivo del genere in una camera bianca per semiconduttori. Ciò è possibile solo grazie alla stampa 3D”, afferma Luis Fernando Velásquez-García, ricercatore principale presso i Microsystems Technology Laboratories (MTL) del MIT e autore senior di un articolo che descrive questo progresso.

“Le particelle generate da questi dispositivi, sia che vengano utilizzate per un composito autoriparante o per la somministrazione di farmaci, possono avere un grande impatto in molte applicazioni. Vogliamo democratizzare questa tecnologia affinché i suoi benefici possano raggiungere molte più persone.”

Velásquez-García è affiancato nell’articolo dall’autore principale Bryan Ivan Quintanar-Abarca dell’Istituto Tecnologico di Monterrey, in Messico. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Virtual and Physical Prototyping .

Un processo preciso

Gli emettitori a elettrospray applicano un’alta tensione a un liquido che fuoriesce dall’ugello del dispositivo, producendo un flusso costante di goccioline estremamente piccole.

I dispositivi triassiali contengono matrici di tre ugelli concentrici che emettono simultaneamente tre liquidi immiscibili, ovvero non miscelabili, in goccioline stratificate, utilizzabili per generare microparticelle composte con strati distinti.

Ad esempio, si potrebbe utilizzare un emettitore a elettrospray triassiale per creare una particella biosensibile contenente tre diversi marcatori chimici, uno in ogni strato. Gli emettitori a elettrospray possono produrre microgocce più piccole molto più velocemente rispetto ad altre tecniche.

La miniaturizzazione è fondamentale per i dispositivi a elettrospray, poiché minore è la dimensione dell’emettitore, minore è la tensione necessaria per generare le goccioline. La potenza di un singolo emettitore a elettrospray è modesta, quindi sono necessari array di emettitori per aumentare la produzione di goccioline senza compromettere l’uniformità.

I dispositivi di elettrospray multi-emettitore vengono in genere fabbricati in camere bianche per semiconduttori, ma i processi tradizionali limitano le forme e le dimensioni dei componenti. I ricercatori non hanno trovato in letteratura alcuna precedente segnalazione di un array di elettrospray triassiale miniaturizzato, il che sottolinea la novità di questo lavoro.

“Quando si progetta un array triassiale, è necessario trovare un modo per creare geometrie con molte parti integrate e strutture estremamente fini nel minor ingombro possibile. E bisogna garantire che i dispositivi funzionino in modo uniforme”, spiega Velásquez-García.

Per fare ciò, lui e i suoi collaboratori hanno utilizzato una tecnica di stampa 3D chiamata fotopolimerizzazione in vasca , che utilizza la luce per solidificare strati estremamente sottili di resina liquida, fabbricando un dispositivo complesso uno strato alla volta.

Questo processo estremamente preciso ha permesso ai ricercatori di stampare strati alti solo 25 micrometri, appena una frazione dello spessore di un capello umano. In questo modo, sono riusciti a generare la complessa geometria interna necessaria per un emettitore a elettrospray triassiale.

Perfezionamento del design

Il dispositivo, leggermente più grande di una moneta da un centesimo di dollaro statunitense, contiene una rete di canali interni a spirale che convogliano il liquido verso 16 ugelli. Questi microcanali elicoidali contribuiscono a mantenere uno spruzzo uniforme di microgocce su tutti gli ugelli, riducendo al contempo le dimensioni del dispositivo.

“In un certo senso, gli emettitori nell’array non si accorgono mai di avere dei compagni, altrimenti si verificherebbe una diafonia che causerebbe interferenze tra di loro. Abbiamo ottenuto l’uniformità grazie al lavoro svolto nella progettazione”, afferma Velásquez-García.

Dovevano inoltre realizzare canali estremamente piccoli, privi di strutture di supporto che potessero ostruire il dispositivo, e assicurarsi che tutta la resina non indurita fosse rimossa prima dell’utilizzo dell’array.

I microcanali convogliano il liquido verso gli ugelli concentrici, che devono essere perfettamente allineati per emettere correttamente le microgocce in modo uniforme.

“Siamo stati in grado di ottimizzare il design in modo molto più efficace perché potevamo iterare con una rapidità decisamente maggiore. Questa capacità di perfezionare i design in modo estremamente preciso è un vantaggio fondamentale della stampa 3D”, afferma Velásquez-García.

I ricercatori hanno testato diverse architetture per determinare la combinazione ideale di portate di liquido al fine di massimizzare la stabilità e la consistenza delle microgocce emesse.

Con loro sorpresa, hanno scoperto che la viscosità del liquido intermedio gioca il ruolo più importante nel garantire la stabilità di una microgoccia, poiché preserva lo spessore di ogni strato.

Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che, regolando la portata e la tensione, potevano personalizzare con precisione lo spessore di ogni strato di microgocce. Ciò consentirebbe agli scienziati di progettare particelle per la somministrazione di farmaci con strati ideali, in modo che il medicinale venga rilasciato esattamente al momento giusto.

“Rendendo più pratici dispositivi così complessi, possiamo dare ad altri la possibilità di perseguire progressi imprenditoriali e scientifici”, afferma Velásquez-García.

In futuro, i ricercatori intendono continuare a perfezionare i processi di fabbricazione e i progetti per ottenere dimensioni ancora più ridotte e integrare materiali conduttivi o dielettrici nei dispositivi, al fine di realizzare matrici di emettitori a elettrospray più avanzate.

ASTRATTO

Presentiamo la prima dimostrazione di fattibilità di array monolitici di emettitori elettrospray triassiali per la produzione scalabile di microgocce a struttura core-shell-shell. I dispositivi sono realizzati tramite fotopolimerizzazione in vasca e contengono una complessa rete di microcanali tridimensionali che alimentano in parallelo tre liquidi immiscibili a una pluralità di ugelli triassiali, consentendo la generazione controllata di microgocce uniformi a tre strati tramite getto elettrodinamico. Sono stati dimostrati progetti con un massimo di 16 ugelli in 1 cm² di area attiva. I risultati sperimentali mostrano un funzionamento stabile con un comportamento per emettitore coerente su array di emettitori di diverse dimensioni, operando i dispositivi in ​​modalità cono-getto elettrospray. La capacità dei dispositivi di generare microgocce core-shell-shell con spessori degli strati regolabili tramite il controllo della portata e della tensione è stata verificata tramite microscopia a fluorescenza e misurazioni di corrente in funzione della portata. I dispositivi descritti dimostrano un approccio flessibile, scalabile e a basso costo per la microincapsulazione, reso possibile dalla produzione additiva, per soddisfare applicazioni quali la somministrazione di farmaci a livello micro e nanometrico, le scienze alimentari e la sintesi di materiali funzionali.

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