Предизвикателство

Разработване на биосъвместими и функционални микрофлуидни компоненти за бързи и преносими тестове за диагностика.

Решение

3D принтер Figure 4 Standalone на 3D Systems и производствен клас, биосъвместими материали.

 Резултати

  • Бърза итерация на биосъвместими микрофлуидни колектори;

  • Биосъвместимите материали не възпрепятстват необходимите биохимични реакции;

  • Пакетна последваща обработка за повишена ефективност;

  • Бързината и точността на изработка на 3D принтираните детайли насърчават по-голямото експерименти в дизайна.


Внезапното и тревожно глобално нарастване на COVID-19 подчерта важността от достъпно и бързо откриване на болестта. Способността да се тества за заболяване не само позволява по-добро ограничаване, за да се предотврати по-нататъшно разпространение, но позволява на епидемиолозите да съберат повече информация, за да разберат по-добре една иначе невидима и мистериозна заплаха. От разкриването на средствата за предаване до нивата на инфекция, критичността на тестването за инфекциозни заболявания вече се усеща в целия свят.

Екип от изследователи в Имперския колеж в Лондон, ръководен от д-р Пантелис Георгиу, се захваща с този проблем директно с проект, наречен Lacewing за откриване на патогени. Предлагайки резултати в рамките на 20 минути от приложение за смартфон, синхронизирано с облачен сървър, Lacewing прави тестването на болести преносимо, включително SARD-CoV-2-RNA, и автоматизира проследяването на прогресията на болестта чрез геомаркиране. Това е усъвършенствана платформа „лаборатория на чип“, която обещава да запълни пропуските в достъпа и информацията в света на диагностиката чрез комбиниране на молекулярна биология и най-съвременна технология. Докато друга технология за диагностика изисква голямо и скъпо оптично оборудване, методът на електрическо отчитане и малкият размер на Lacewing е истинска еволюция в подхода.

Ключова сред технологиите зад Lacewing е 3D принтера Figure 4® на 3D Systems и биосъвместими, производствени материали. Използван както за прототипиране, така и за производство на микрофлуиди и функционални компоненти, докторантът на Imperial College и научен сътрудник Матю Кавуто казва, че ключовите компоненти на Lacewing са проектирани въз основа на възможностите, които той е знаел, че има с Figure 4. „Микрофлуидиката е сложно нещо и производството е традиционно е извършено чрез бавни, скъпи и трудоемки процеси в чисти помещения“, казва Кавуто. „С Figure 4 3D принтер вече сме в състояние бързо да отпечатваме части със сложни вътрешни 3D флуидни канали за транспортиране на пробен флуид до различни сензорни зони на чипа, подобрявайки значително нашите възможности за микрофлуидно производство.“

Колкото и критичен да е елементът на дизайна за този проект, той е само една част от високо усъвършенствано решение. Отвъд сложността на частите и прецизността на детайлите, активирани от Figure 4 на 3D Systems, това решение за 3D принтиране помога на изследователския екип чрез бързина и високо качество на принтиране, и възможности за използване на биосъвместими материали.

Микрофлуидна касета, 3D отпечатана с Figure 4 MED-AMB 10 в обвивка от Figure 4 PRO-BLK 10 материал.

Бързи итерации за отговор на необходимостта от тестване за COVID-19

Платформата Lacewing се разработва от малко повече от две години и е тест за молекулярна диагностика, който работи чрез идентифициране на ДНК или РНК на патоген в проба от пациент. Този тип тест дава възможност да се определи не само, дали някой е заразен с определена болест (денга, малария, туберкулоза, COVID-19 и др.), но и в каква степен, което дава по-добра представа за тежестта на симптомите.

Преди избухването на COVID-19, стимулът за този тест беше да се даде възможност за мобилно тестване в отдалечени райони на света. Въпреки че мобилността често се приема за даденост в ерата на смартфоните, молекулярната диагностика традиционно изисква големи и скъпи части от лабораторно оборудване. Lacewing замени предишната оптична техника с електрическа, използваща микрочипове, и беше бързо прототипирана, повторена и произведена с помощта на 3D принтер Figure 4 Standalone и биосъвместими материали. Всяка микрофлуидна касета Lacewing е приблизително 30 mm x 6 mm x 5 mm, отпечатана на 10-микронни слоеве.

Тъй като изследователският екип започна да адаптира теста, за да отговори на глобалните нужди от тестване на COVID-19, той започна да отпечатва нови дизайни почти всеки ден. За това Кавуто каза, че скоростта на машината е основно предимство. „В един момент успях да отпечатам и тествам три версии на определен компонент в един ден с Figure 4“, казва той. Тази способност за бързо итериране на дизайни премахна напрежението от опитването на нещо ново и произтичащото от това експериментиране и увеличеното събиране на информация доведе до подобрения в цялостната система. „През последните 2 месеца лесно преминахме през 30 версии“, казва Кавуто.

Екипът проектира всички свои части в SOLIDWORKS и използва софтуера 3D Sprint®, за да настрои всяка компилация. 3D Sprint е софтуер "всичко в едно" от 3D Systems за подготовка, оптимизиране и управление на процеса на 3D принтиране и беше полезен за изследователския екип при намирането и разрешаването на неочаквани проблеми. „От време на време ще получим STL грешка, която 3D Sprint може да разреши вместо нас в раздела за подготовка“, казва Кавуто.

След като е работил с много различни 3D принтери в миналото, Кавуто казва, че Figure 4 е различен, защото има по-малко бариери пред принтирането по отношение на време, цена и качество. С други принтери той би се усъмнил, дали един печат си заслужава както от гледна точка на време, така и от гледна точка на материални разходи, докато Figure 4 премахва това напрежение. „Отпечатвам част и виждам дали работи. Ако не стане, преработвам и отпечатвам отново само няколко часа по-късно“, казва Кавуто. „Мога да повторя супер бързо само заради това колко бърз е принтерът.“

Наистина биосъвместимите материали не възпрепятстват химичните реакции

Биосъвместимостта на материалите е от решаващо значение за протичането на планираната реакция без инхибиране.

Въпреки натиска във времето за опциите за бързо тестване, скоростта не беше най-важният фактор за изследователския екип. Тъй като това приложение влиза в пряк контакт с ДНК, то е възможно само с определени биосъвместими материали.

Екипът на Imperial College използва Figure 4® MED-AMB 10, прозрачен кехлибарен материал, способен да отговаря на стандартите ISO 10993-5 & -10 за биосъвместимост (цитотоксичност, сенсибилизация и дразнене)* и който може да се стерилизира чрез автоклав. Този материал се използва за полупрозрачни микрофлуидни колектори. „Figure 4 MED-AMB 10 показа впечатляваща биосъвместимост за нашите PCR реакции“, казва Кавуто. „Много материали, които сме опитвали в миналото, са ги възпрепятствали, но Figure 4 MED-AMB 10 показва слабо взаимодействие с нашата реакционна химия.“ Това е критично за целия проект, тъй като всяка намеса от производствените материали може да забави или да попречи на планираната реакция да се случи.“

Използване на разнообразното портфолио от материали на Figure 4

Екипът не само използва Figure 4 MED-AMB 10, за да отпечата микрофлуидните компоненти за Lacewing, но също така използва Figure 4® PRO-BLK-10, производствен клас, твърд, топлоустойчив материал, за корпуса на устройството и Figure 4® RUBBER-65A BLK, наскоро пуснат еластомерен материал, за уплътнения през устройството. Една част от Lacewing дори е направена от Figure 4® FLEX-BLK 20, материал с външен вид и усещане на производствения полипропилен. Освен електрониката и част от хардуера, почти цялото устройство в момента се произвежда с помощта на системата Фигура 4.

Напълно почистен и последваща обработка за по-малко от 20 минути

Чистата и гладка повърхност е от решаващо значение за крайната функционалност на касетите Lacewing. Поради тази причина изследователският екип се отказва от всякакви възможности за влагане или подреждане на Figure 4, за да отпечата касетите на единични слоеве. Тъй като проектът все още е във фаза на проектиране, екипът все още не е заредил напълно плочата за изграждане, но оценява максималната конструкция от приблизително тридесет микрофлуидни касети наведнъж.

Като се има предвид чувствителността на приложението, последващата обработка е критична. След като бъдат отпечатани, частите се измиват в IPA вана, втвърдяват се, шлифоват се и се измиват отново, за да се гарантира, че всички части са свободни и чисти от остатъци или частици от шлайфане. „Искаме да избегнем заразяване на всяка цена“, казва Кавуто. „Да се уверим, че частите са чисти и стерилизирани е важно за успешната реакция и точната диагноза.“

Като цяло Cavuto изчислява, че последващата обработка отнема под двадесет минути и много части могат да преминат през процеса наведнъж.

„3D Sprint е много интуитивен по отношение на оформлението и функциите за поддръжка са наистина добри“, казва Бенет.

След като бъде валидиран от NHS, изследователският екип планира да увеличи производството на теста за COVID-19.

Нови възможности за развитие и иновации

„Figure 4 промени това, което мога да отпечатам или това, което мисля, че имам способността да създавам“, казва Кавуто. „По отношение на разделителна способност, скорост, качество на повърхността, набор от материали и биосъвместимост, няма нищо, което да се сравни с Figure 4, и вероятно съм използвал всеки тип 3D принтер, който можете да си представите.“

Изследователският екип на Имперския колеж планира тестът за COVID-19 да бъде валидиран скоро от Националната здравна служба на Обединеното кралство (NHS), проправяйки пътя за мащабно производство през следващите шест месеца.

За да научите повече за 3D Systems Figure 4 и биосъвместими, производствени материали, изтеглете Ръководството за избор на материали от Figure 4.


Имате нужда от повече информация. Свържете се с нас!