Nella caratterizzazione dei materiali e dei dispositivi biomedicali, osservare una superficie non è sempre sufficiente. Per comprendere le prestazioni di un componente, è spesso necessario conoscerne anche la geometria tridimensionale, le variazioni dimensionali e le caratteristiche topografiche.
Questo aspetto è particolarmente importante per i microneedle, microaghi progettati per applicazioni transdermiche, cosmetiche e terapeutiche. Queste strutture, generalmente organizzate in matrici, devono rispettare requisiti geometrici precisi per garantire prestazioni riproducibili (Fig.1).
Fig. 1 – Esempi di funzionamento dei microaghi di cerotti transdermici. Fonti delle immagini: “Theory and Applications of Nonparenteral Nanomedicines”, Chapter: “Advances in transdermal delivery of nanomedicine” (DOI: 10.1016/C2018-0-04530-2); “A comprehensive review on transdermal patches as an efficient approach for the delivery of drug” (https://doi.org/10.1080/25740881.2024.2317408).
L’altezza dei microaghi, la geometria delle punte, la distanza tra elementi adiacenti e l’uniformità dell’intera matrice, oltre al controllo della distribuzione degli elementi chimici funzionali, sono parametri rilevanti durante lo sviluppo del prodotto e il controllo del processo produttivo. La microscopia elettronica a scansione (SEM) permette di osservare questi dettagli con un elevato livello di ingrandimento (Fig.2).
Fig. 2 – Analisi SEM-EDS eseguita con SEM Tabletop Coxem su una patch transdermica da utilizzare nella cura delle ferite croniche nei soggetti diabetici. Fonte: “Glucose-responsive ‘sense-and-treat’ microneedle patch for promoting diabetic chronic wound healing” (https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2026.103081).
Tuttavia, una micrografia convenzionale rappresenta principalmente una proiezione bidimensionale della superficie. Ricavare informazioni quantitative sulla profondità e sull’altezza delle strutture richiede quindi ulteriori strumenti di analisi. Come integrare la microscopia elettronica a scansione e la ricostruzione tridimensionale per una caratterizzazione più approfondita?
Prendiamo ad esempio una matrice di microaghi realizzati in materiale polimerico biocompatibile, destinati a dispositivi per applicazioni transdermiche. Per analizzare il campione è stato utilizzato il microscopio elettronico a scansione da banco COXEM EM-40, affiancato dal software di ricostruzione 3D. L’obiettivo non era soltanto documentare la morfologia dei microaghi, ma ottenere informazioni geometriche utili a valutarne le caratteristiche dimensionali e la variabilità all’interno della matrice. In particolare, l’analisi mirava a esaminare la geometria delle punte (forma e grado di affilatura dei singoli microaghi), l’altezza delle strutture, l’uniformità della matrice, il profilo superficiale ed eventuali difetti morfologici (anomalie geometriche o irregolarità del substrato polimerico). Queste informazioni possono contribuire alla valutazione della qualità dei dispositivi e alla verifica della ripetibilità dei processi di fabbricazione.
Prima dell’osservazione al SEM, il campione è stato ricoperto mediante deposizione per sputtering con un sottile strato conduttivo di oro e platino, che serve a limitare gli effetti della carica elettrica accumulata durante l’osservazione e a ridurre il rischio di alterazioni termiche. La preparazione rappresenta una fase importante nella caratterizzazione dei materiali polimerici, poiché le condizioni di osservazione e il trattamento superficiale possono influenzare la qualità delle immagini e, di conseguenza, l’affidabilità delle successive elaborazioni.
Per le analisi al SEM è stata scelta la modalità di imaging con detector BSE, lavorando in alto vuoto con una tensione di accelerazione di 20 kV. L’utilizzo di un basso ingrandimento (200X) e di una working distance di circa 14 mm ha permesso di acquisire immagini della matrice su un campo sufficientemente ampio da osservare più microaghi contemporaneamente senza effetti di distorsione dell’immagine. La scelta delle condizioni di acquisizione deve essere adattata al materiale, alla geometria del campione e alle informazioni che si desidera ottenere, poiché le immagini acquisite costituiscono la base per le successive elaborazioni topografiche e per l’estrazione dei profili geometrici.
Il software Coxem NanoStation V5.1 permette di visualizzare il campione e accedere agli strumenti di profilazione integrati (Fig.3). Il software Deep 3D consente invece di elaborare le immagini acquisite e generare rappresentazioni tridimensionali della superficie (Fig.4). L’elaborazione permette di passare da una semplice osservazione morfologica a una rappresentazione nella quale le variazioni di altezza vengono associate a una scala cromatica. Le mappe risultanti facilitano l’individuazione delle differenze geometriche tra le varie regioni del campione e consentono di tracciare profili lungo sezioni selezionate.
Fig. 3 – Monitoraggio dell’altezza delle strutture osservate in tempo reale all’interno del software Coxem NanoStation: l’interfaccia di profilazione integrata nel software genera automaticamente un’anteprima topografica tridimensionale della regione selezionata.
Fig. 4 – Il software Deep 3D elabora le immagini BSE acquisite per una ricostruzione topografica, fornendo una mappa 3D altimetrica da cui è possibile ricavare profili di altezza.
È importante sottolineare che la profilazione digitale può fornire misure geometriche direttamente utilizzabili nell’analisi dei microdispositivi, ma l’accuratezza assoluta delle misure deve essere verificata attraverso una procedura metrologica appropriata: per un confronto quantitativo rigoroso occorre infatti verificare la posizione dei profili, il riferimento geometrico utilizzato e la procedura di calibrazione.
La profilazione tridimensionale, in termini di altezze relative e non assolute, può comunque contribuire a valutare diversi aspetti della geometria dei microaghi che possono influenzare il comportamento funzionale del dispositivo: una matrice contenente microaghi con altezze differenti, punte irregolari o geometrie non riproducibili potrebbe presentare prestazioni meno uniformi rispetto a un prodotto conforme alle specifiche di progetto.
In particolare, per il controllo qualità è importante il confronto tra elementi della stessa matrice, per individuare differenze locali e valutare la distribuzione delle dimensioni all’interno del campione. Le mappe topografiche possono facilitare il riconoscimento di deformazioni, irregolarità e difetti che potrebbero essere difficili da valutare mediante la sola osservazione bidimensionale. I dati geometrici possono essere utilizzati per confrontare differenti formulazioni polimeriche, parametri di fabbricazione o configurazioni progettuali, fornendo un supporto fondamentale nello sviluppo del prodotto.
La caratterizzazione dei microaghi polimerici dimostra come l’integrazione tra microscopia elettronica a scansione e analisi tridimensionale possa ampliare le possibilità di studio delle superfici microstrutturate. Questo approccio può essere di interesse anche per altri settori nei quali la geometria superficiale e le dimensioni delle microstrutture rivestono un ruolo importante, come la scienza dei materiali, la microfabbricazione e la produzione di componenti per l’industria elettronica.
Occorre comunque considerare che una ricostruzione tridimensionale ottenuta da immagini SEM non equivale automaticamente a una misura metrologica validata. La qualità del risultato dipende dal metodo di ricostruzione, dalle caratteristiche dell’immagine originale e dalla verifica delle misure mediante riferimenti o tecniche indipendenti. Per chi lavora nello sviluppo di materiali e dispositivi, questa distinzione è essenziale: la visualizzazione 3D aiuta a comprendere la geometria, la validazione metrologica permette di attribuire alle misure un significato quantitativo affidabile.
