Ottimizzazione progettuale della stampa stereolitografica e validazione sperimentale di cartucce microfluidiche per il caricamento di farmaci in eritrociti

Drug delivery, i.e., the use of systems for controlled drug transport within the body, represents a rapidly growing research field nowadays. Among the biological carriers investigated, red blood cells (RBCs) stand out for their biocompatibility, potential for autologous use, and wide availability; the lack of a nucleus allows a high loading capacity, while their ~120-day lifespan ensures prolonged drug circulation. This thesis, part of a research project at Politecnico di Milano, aimed at the development and validation of a novel 3D-printed microfluidic cartridge for drug encapsulation into RBCs. The proposed approach exploits shear stresses generated by blood flow within a specifically designed porous microfluidic geometry, inducing a temporary, reversible opening of membrane pores, thereby enabling the internalization of therapeutic molecules without compromising cell viability. The device was designed in CAD with a modular architecture and manufactured using stereolithographic (SLA) resin 3D printing through an iterative process of geometric optimization, assembly, and validation, which includes hydraulic sealing tests and fluid dynamic characterization. The latter enabled the evaluation of operational stability and reproducibility of the developed prototypes, as well as the estimation of hydraulic resistance, a key parameter directly correlated with shear stresses applied to RBCs. This approach guided the selection of the most suitable prototype for biological tests. Encapsulation tests, performed on bovine erythrocytes using FITC–dextran (40 kDa) as a fluorescent probe, demonstrated the effectiveness of the system in inducing molecular uptake into erythrocytes while maintaining sub-hemolytic conditions, as confirmed by quantification of free hemoglobin concentration. Overall, the results support the feasibility of the proposed approach and provide a basis for the development of an optimized geometry compatible with high reproducibility industrial manufacturing processes.

Il drug delivery, ovvero l’impiego di sistemi per il trasporto controllato di farmaci nell’organismo, rappresenta oggi un ambito di ricerca in forte crescita. Tra i vettori biologici studiati, i globuli rossi si rivelano particolarmente promettenti per la loro biocompatibilità, la possibilità di impiego autologo e l’ampia disponibilità; l’assenza di nucleo garantisce un’elevata capacità di carico, mentre il ciclo vitale di ~120 giorni assicura una lunga permanenza in circolo del farmaco. Questa tesi, parte di un progetto di ricerca presso il Politecnico di Milano, ha mirato allo sviluppo e alla validazione di una nuova cartuccia microfluidica stampata in 3D per l’incapsulamento di farmaci all’interno dei globuli rossi. L’approccio proposto sfrutta gli sforzi di taglio generati dal flusso di sangue attraverso una geometria microfluidica porosa appositamente progettata, in grado di indurre un’apertura temporanea e reversibile dei pori di membrana, consentendo l’ingresso di molecole terapeutiche senza compromettere la vitalità cellulare. Il dispositivo è stato progettato in CAD con architettura modulare e realizzato tramite stampa stereolitografica a resina (SLA), seguendo un processo iterativo di ottimizzazione geometrica, assemblaggio e validazione, che comprende prove di tenuta idraulica e caratterizzazione fluidodinamica. Quest’ultima ha permesso di valutare la stabilità operativa e la riproducibilità dei prototipi sviluppati, nonché di stimarne la resistenza idraulica, parametro direttamente correlato agli sforzi di taglio applicati agli eritrociti. Tale approccio ha guidato la selezione del prototipo più idoneo alle prove biologiche. I test di incapsulamento, condotti su eritrociti bovini utilizzando FITC-destrano (40 kDa) come molecola probante fluorescente, hanno dimostrato l’efficacia del sistema nell’indurre l’ingresso della molecola negli eritrociti, mantenendo condizioni sub emolitiche, confermate mediante quantificazione dell’emoglobina libera. Nel complesso, i risultati supportano la fattibilità dell’approccio e pongono le basi per la definizione di una geometria ottimizzata, trasferibile a processi produttivi industriali ad alta riproducibilità.