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Diagnostica

Monitoraggio superfici biologiche: real time 3D-printing di sensori deformabili su organi in movimento

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Scritto da Alessia Paradiso

Un’innovativa tecnica di stampa 3D, che utilizza una tecnologia di acquisizione del movimento simile a quella utilizzata nei film di Hollywood, è stata sviluppata per stampare sensori elettronici direttamente su organi in espansione e in contrazione. Il tutto potrebbe avere applicazioni future nella diagnosi e nel monitoraggio di organi come cuore e polmoni.

Una sfida tecnologica

La tecnica è stata realizzata dall’Università del Minnesota. Si propone di modellare lo spazio di deformazione della superficie target (un organo) usando un modello base che può essere appreso da un set di dati provenienti dalle sue scansioni 3D, raccolte in un primo momento. Con tale modello, la geometria accurata della superficie (offline, al momento della stampa) può essere recuperata in 3D, tramite una serie di markers fiduciali tracciati da un sistema di telecamere stereo-direzionate sull’organo (online). La geometria recuperata viene quindi utilizzata per adattare dinamicamente la stampa 3D in tempo reale del sensore, tramite ricostruzione ibrida (offline + online) della superficie.

I ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Meccanica ed Ingegneria Informatica hanno inizialmente testato l’applicazione con una superficie simile a un palloncino e una stampante 3D specializzata. I markers di rilevamento del motion capture utilizzati sono come quelli usati nei film per la creazione di effetti speciali, per agevolare la stampante 3D nell’adattamento del percorso di stampa ai movimenti di espansione e contrazione sulla superficie. Si è provato quindi su un polmone animale in laboratorio, che è stato gonfiato artificialmente. Il sensore a base di idrogel morbido è stato stampato con successo direttamente sulla superficie, come si osserva nel video seguente.

Il sensore è stato disegnato tramite tomografia ad impedenza elettrica (EIT), un tipo non invasivo di imaging medico in cui la conducibilità elettrica, la permettività e l’impedenza di una parte del corpo sono dedotte dalle misurazioni degli elettrodi di superficie e utilizzate per formare un’immagine tomografica di quella parte. Un approccio mirato, e adatto quindi ad organi in movimento.

Mappatura 3D real-time della superficie in movimento

Il processo che porta al funzionamento del sensore consiste di 4 step fondamentali (Figura 1):

  • 3D scanning della superficie del polmone
  •  Tracciatura in tempo reale del polmone in deformazione
  •  Stampa adattiva dell’idrogel sul polmone in deformazione
  •  Monitoraggio in situ della deformazione del polmone con il sensore EIT
Figura 1: Sketch del processo di 3D-printing in situ del sensore EIT su polmone “respirante”.

La procedura di printing adattivo si può pensare suddivisa in due step fondamentali: 1) acquisizione di un modello parametrico della superficie da un set di dati pre-scansionato, per successivo processamento online, e 2) stereo-monitoraggio real time della superficie e delle sue deformazioni tramite posizionamento di markers. Il risultato finale è quindi ottenuto seguendo un codice di machine learning, che modella e aggiusta la deformazione della superficie rispetto al movimento dei markers fiduciali.

Com’è fatto il sensore deformabile?

Lo strato sensibile del sensore, a contatto con l’organo deformabile, è un idrogel morbido e conduttivo, con caratteristiche di trasparenza ed estensibilità in condizioni di sollecitazione.

L’ idrogel selezionato è a base di cloruro di litio (LiCl), utile a favorire la conduzione ionica grazie alle proprietà idroscopiche che ne impediscono la disidratazione, e di poliacrilammide (PAM), polimero estensibile e sensibile alla radiazione ultravioletta (UV), scelto come matrice dell’idrogel ionico. Il rapporto di miscelazione di monomero, polimero e reticolante nel precursore dell’idrogel è stato ottimizzato per la stampabilità e l’elasticità desiderate nel processo di 3D-printing.

Un modello computazionale semplice e robusto per ripetibilità e stabilità di lettura della deformazione, senza richiedere sofisticati algoritmi per compensare le non linearità nella conducibilità del materiale.

Ciò è stato possibile poiché la conduttività degli idrogel ionici si è dimostrata indipendente dall’allungamento. Di conseguenza, la conducibilità del materiale può essere assunta costante, così come anche la variazione della resistenza del materiale sotto sforzo che è determinata esclusivamente da un fattore geometrico.

Gli elettrodi di rame (Cu), incapsulati in un successivo strato di silicone (più rigido dell’idrogelo), sono ideati per contornare ad anello la superficie dell’idrogel. Il circuito operativo del sensore prevede all’esterno un microcontrollore, un generatore d’onde, un convertitore AC/DC e un alimentatore (Figura 2).

Figura 2: Design del sensore deformabile EIT. (A) Immagine schematica del design a strati del sensore EIT a base di idrogel, con l’immagine dell’inserzione che mostra una vista ingrandita della formazione dell’interfaccia silicone-idrogel quando trattata con benzofenone sotto esposizione alla luce UV. (B) Immagine schematica dei circuiti operativi periferici per il sistema EIT con otto elettrodi. MUX, multiplexing; DC, corrente continua; VCCS, sorgente di corrente costante controllata in tensione.

Il processo di stampa

La stampante è stata equipaggiata con un sistema gantry e un controller di precisione. Il printing adattivo del sensore di deformazione si basa solo sul flusso di immagini catturate in tempo reale dalle telecamere di localizzazione e dal modello di deformazione elaborato offline, fornendo come risultato uno strato circolare di idrogel adeso al polmone. Il software di controllo centrale per il rilevamento in tempo reale della deformazione e del 3D-printing adattivo è stato programmato in linguaggio C++.

Qualche numero? La velocità di estrusione è stata mantenuta a 6 mm/s, con una pressione costante di 200 kPa. Il polmone suino è stato meccanicamente mantenuto in espansione-contrazione ciclica a 12 respiri/minuto (Figura 3).

Figura 3: 3D-printing su un polmone suino per il monitoraggio in situ della deformazione e stampa 3D su un fantoccio deformabile. (A) Scansione 3D del polmone suino con uno scanner 3D a luce strutturata. (B) Sistema gantry di stampa 3D custom-made. (C) 3D-printing in situ di inchiostro a base di idrogel su un polmone suino. (D) Strato circolare di idrogel stampato in 3D. (E) Foto-polimerizzazione a raggi UV dello strato di idrogel con l’anello in silicone e gli elettrodi incorporati. (F) Configurazione hardware per il monitoraggio in situ della deformazione polmonare con il sensore EIT stampato. Photo credits: Z.Z., University of Minnesota.

Stiamo spingendo i confini della stampa 3D verso nuovi orizzonti, che non avevamo nemmeno immaginato anni fa. La stampa 3D su un oggetto in movimento è difficile. È stata una vera sfida trovare un modo per stampare su una superficie che si deformava mentre si espandeva e si contraeva.

Michael McAlpine, Professore di Ingegneria Meccanica all’Università del Minnesota e ricercatore senior nello studio.

La ricerca, finanziata da Medtronic e dal National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, potrebbe in futuro addirittura essere utilizzata per stampare sensori 3D su un cuore pulsante.

Tale innovazione vuole affermarsi tra gli attuali trattamenti in campo medico in una miriade di modi: dal 3D-printing di matrici di elettrodi per interfacce neurali alla stampa di bio-scaffold per la rigenerazione dei tessuti. Ad esempio, in applicazioni cliniche per cui è necessaria l’iniezione di materiali biologici quali colla chirurgica e graft cutanei, il sensore deformabile potrebbe sostituirne le operazioni manuali necessarie, al fine di ottenere un controllo spaziale preciso nel tempo.


Fonti e approfondimenti
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Alessia Paradiso

Ricercatrice in fuga.
Conseguita la laurea magistrale in Ingegneria Biomedica al Politecnico di Torino, prosegue con un Dottorato in Biomateriali fuori patria. Appassionata di informazione, mantiene un sguardo completo sul mondo biomedico con tanta curiosità.

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