倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的Lacewing項(xiàng)目是一個(gè)用于診斷和跟蹤疾病的芯片實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，其關(guān)鍵部件使用3D Systems的Figure 4打印機(jī)和具有生物相容性的材料進(jìn)行3D打印。

挑戰(zhàn)

開(kāi)發(fā)具有生物相容性和功能性的微流體組件，以進(jìn)行快速和便攜式診斷測(cè)試。

解決方案

3D Systems的Figure 4 Standalone打印機(jī)和具有生物相容性的材料。

結(jié)果

• 生物相容性微流體歧管的快速迭代；

• 生物相容性材料不抑制必要的生化反應(yīng)；

• 批量批處理以提高效率；        

• 3D打印的速度和準(zhǔn)確性鼓勵(lì)在設(shè)計(jì)中進(jìn)行更多的試驗(yàn)。

全球新冠肺炎的突發(fā)和令人震驚的發(fā)展突顯了隨時(shí)和快速疾病檢測(cè)的重要性。檢測(cè)疾病的能力不僅可以更好地遏制疾病以防止進(jìn)一步擴(kuò)散，還可以使流行病學(xué)家收集更多信息，以更好地理解原本看不見(jiàn)的神秘的威脅。從揭示傳播途徑到感染率，全球范圍內(nèi)已經(jīng)意識(shí)到檢測(cè)傳染病的重要性。

由Pantelis Georgiou博士領(lǐng)導(dǎo)的倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的一組研究人員正通過(guò)名為“Lacewing”的病原體檢測(cè)項(xiàng)目直接解決快速檢測(cè)這一問(wèn)題。

Lacewing在將智能手機(jī)應(yīng)用程序同步到云服務(wù)器后的20分鐘內(nèi)提供結(jié)果，使疾病測(cè)試變得更便攜，包括SARD-CoV-2-RNA，并通過(guò)地理標(biāo)記自動(dòng)跟蹤疾病的進(jìn)展。

它是一個(gè)先進(jìn)的“芯片實(shí)驗(yàn)室”平臺(tái)，有望通過(guò)結(jié)合分子生物學(xué)和最新技術(shù)來(lái)填補(bǔ)診斷領(lǐng)域的訪問(wèn)和信息空白。其他診斷技術(shù)需要大型且昂貴的光學(xué)設(shè)備，而電感應(yīng)方法和小巧的Lacewing項(xiàng)目則是方法上的真正發(fā)展。

3D Systems Figure 4 Standalone 3D打印機(jī)和具有生物相容性的生產(chǎn)級(jí)材料非常有幸可以參與這一項(xiàng)目。Figure 4打印機(jī)既用于微流控技術(shù)的原型設(shè)計(jì)和生產(chǎn)及功能性組件，帝國(guó)理工學(xué)院的學(xué)生兼研究助理Matthew Cavuto提到，Lacewing的關(guān)鍵組件是根據(jù)他對(duì)Figure 4的了解而設(shè)計(jì)的?！拔⒘骺丶夹g(shù)是一件棘手的事情，傳統(tǒng)上，制造過(guò)程都是通過(guò)緩慢，昂貴且勞動(dòng)密集型的潔凈室工藝完成。借助Figure 4，我們現(xiàn)在能夠使用復(fù)雜的內(nèi)部3D流體通道快速打印零件，以將樣品流體傳輸?shù)叫酒系牟煌瑐鞲袇^(qū)域，從而大大提高了我們的微流體生產(chǎn)能力?！?/span>

盡管設(shè)計(jì)元件對(duì)此項(xiàng)目至關(guān)重要，但這只是高度復(fù)雜的解決方案中的一個(gè)。除了3D Systems的Figure 4支持的零件復(fù)雜性和細(xì)節(jié)保真度之外，該3D打印解決方案還幫助研究團(tuán)隊(duì)提高了打印速度，打印質(zhì)量和豐富了生物相容性材料的選擇。

Figure 4 MED-AMB 10材料打印的微流控盒裝在Figure 4 PRO-BLK 10材料打印的外殼中

Lacewing平臺(tái)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了兩年多了，它是一種分子診斷測(cè)試，通過(guò)識(shí)別患者樣品中病原體的DNA或RNA起作用。這種類(lèi)型的測(cè)試不僅可以確定某人是否感染了某種疾病（登革熱，瘧疾，結(jié)核病，新冠肺炎等），而且還可以確定到什么程度，從而可以更深入地了解癥狀的嚴(yán)重性。

在新冠肺炎爆發(fā)之前，此測(cè)試的推動(dòng)力是在世界偏遠(yuǎn)地區(qū)實(shí)現(xiàn)便攜式測(cè)試。盡管便攜性在智能手機(jī)時(shí)代通常被認(rèn)為是理所當(dāng)然的，但是分子診斷傳統(tǒng)上需要大型且昂貴的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。

Lacewing已使用微芯片用電子技術(shù)取代了先前的光學(xué)技術(shù)，并已使用Figure 4 Standalone具有生物相容性的材料迅速打印了原型，迭代和生產(chǎn)。每個(gè)Lacewing微流控墨盒大約30毫米x 6毫米x 5毫米，以10微米的層打印。

當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始調(diào)整測(cè)試以滿足新冠肺炎的全球測(cè)試需求時(shí)，團(tuán)隊(duì)幾乎每天都開(kāi)始打印新設(shè)計(jì)。Cavuto表示這臺(tái)機(jī)器的速度是一大好處。他說(shuō)：“我能夠使用Figure 4在一天之內(nèi)打印和測(cè)試特定組件的三個(gè)版本。在過(guò)去的兩個(gè)月中，我們輕松完成了30個(gè)版本的開(kāi)發(fā)”。這種快速迭代設(shè)計(jì)的能力減除了嘗試新事物的麻煩，并且由此產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)和更多的信息收集已導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的改進(jìn)。

該團(tuán)隊(duì)使用SOLIDWORKS設(shè)計(jì)其所有零件，并使用3DSprint?軟件來(lái)設(shè)置每次打印。3D Sprint是3D Systems的多功能軟件，用于準(zhǔn)備，優(yōu)化和管理3D打印過(guò)程，對(duì)于研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)和解決意外問(wèn)題非常有用。Cavuto表示：“有時(shí)候，在“準(zhǔn)備”標(biāo)簽中，我們會(huì)收到3D Sprint可以為我們解決的STL錯(cuò)誤” 。

Cavuto提到，過(guò)去使用過(guò)許多不同的3D打印機(jī)，F(xiàn)igure 4則有所不同，因?yàn)樵跁r(shí)間，成本和質(zhì)量方面，打印障礙較少。我打印了一個(gè)零件，然后看它是否起作用。如果沒(méi)有，我會(huì)在幾個(gè)小時(shí)后重新設(shè)計(jì)并再次打印。由于打印機(jī)的速度快，我能夠超級(jí)快速地進(jìn)行迭代。

材料的生物相容性對(duì)于預(yù)期的反應(yīng)發(fā)生而不受抑制至關(guān)重要

盡管需要快速測(cè)試選項(xiàng)帶來(lái)時(shí)間壓力，但是速度并不是研究團(tuán)隊(duì)最重要的因素。因?yàn)榇藨?yīng)用直接與DNA接觸，所以只有某些生物相容性材料才有可能。

帝國(guó)理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)正在使用Figure 4 MED-AMB 10，這是一種透明的琥珀色材料，能夠滿足ISO 10993-5和-10標(biāo)準(zhǔn)的生物相容性（細(xì)胞毒性，致敏性和刺激性）*，并且可以通過(guò)高壓滅菌器進(jìn)行滅菌。該材料用于半透明的微流體歧管。

▲Figure 4 MED-AMB 10

Cavuto說(shuō)：“Figure 4 MED-AMB 10對(duì)我們的PCR反應(yīng)顯示出令人印象深刻的生物相容性?！?“我們過(guò)去嘗試過(guò)的許多材料都抑制了它們，但是Figure 4 MED-AMB 10顯示出與我們的反應(yīng)化學(xué)物質(zhì)的相互作用低。” 這對(duì)整個(gè)項(xiàng)目至關(guān)重要，因?yàn)樯a(chǎn)材料的任何干擾都可能延遲或阻止預(yù)期的反應(yīng)發(fā)生。

團(tuán)隊(duì)不僅使用Figure 4 MED-AMB 10來(lái)打印Lacewing的微流體組件，而且還使用Figure 4 PRO-BLK-10（一種生產(chǎn)級(jí)，堅(jiān)固耐熱的材料）制作設(shè)備外殼 ，以及Figure 4 RUBBER-65A BLK（一種新發(fā)布的彈性體材料），用于制作通過(guò)設(shè)備的墊片?；ㄟ叺囊徊糠钟蒄igure 4 FLEX-BLK 20制成，這種材料具有生產(chǎn)聚丙烯的外觀和感覺(jué)。除了電子設(shè)備和一些硬件，目前幾乎所有的設(shè)備都使用Figure 4系統(tǒng)生產(chǎn)。

▲Figure 4 PRO-BLK-10

 ▲Figure 4 RUBBER-65A BLK

干凈光滑的表面對(duì)于Lacewing濾芯的最終功能至關(guān)重要。由于該項(xiàng)目仍處于設(shè)計(jì)階段，因此該團(tuán)隊(duì)尚未完全加載成型平臺(tái)，但估計(jì)一次最多可構(gòu)建約三十個(gè)微流體盒。考慮到應(yīng)用的敏感性，后處理至關(guān)重要。 打印完成后，零件將在IPA中清洗，固化，打磨并再次清洗，以確保零件完全不含殘?jiān)虼蚰ヮw粒。Cavuto表示：“我們希望不惜一切代價(jià)避免污染，確保零件清潔和消毒對(duì)于成功進(jìn)行反應(yīng)和準(zhǔn)確診斷至關(guān)重要。”

Cavuto估計(jì)，總體而言，后處理需要不到20分鐘的時(shí)間，而且很多部分可以一次完成整個(gè)過(guò)程。

一旦通過(guò)NHS驗(yàn)證，研究小組計(jì)劃擴(kuò)大新冠肺炎測(cè)試的生產(chǎn)規(guī)模

Cavuto說(shuō)：“Figure 4改變了我可以打印的東西，或者我認(rèn)為我具有創(chuàng)造能力的東西?！?“在分辨率，速度，表面質(zhì)量，材料范圍和生物相容性方面，F(xiàn)igure 4都具有很大的優(yōu)勢(shì)?！?/span>

帝國(guó)理工學(xué)院的研究小組計(jì)劃盡快通過(guò)英國(guó)國(guó)家衛(wèi)生局（NHS）對(duì)新冠肺炎測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證，從而為未來(lái)六個(gè)月的大規(guī)模生產(chǎn)鋪平道路。

如需了解有關(guān)3D Systems Figure 4和具有生物相容性的生產(chǎn)級(jí)材料的更多信息，請(qǐng)掃描二維碼，下載我們的材料指南。

*生物相容性基于3D Systems根據(jù)ISO 10993-5和-10對(duì)單個(gè)幾何形狀和樣品組進(jìn)行的測(cè)試。使用者應(yīng)確認(rèn)其使用適應(yīng)性和生物相容性。