倫敦帝國理工學院的Lacewing項目是一個用于診斷和跟蹤疾病的芯片實驗室平臺，其關(guān)鍵部件使用3D Systems的Figure 4打印機和具有生物相容性的材料進行3D打印。

挑戰(zhàn)

開發(fā)具有生物相容性和功能性的微流體組件，以進行快速和便攜式診斷測試。

解決方案

3D Systems的Figure 4 Standalone打印機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；

• 批量批處理以提高效率；        

• 3D打印的速度和準確性鼓勵在設計中進行更多的試驗。

全球新冠肺炎的突發(fā)和令人震驚的發(fā)展突顯了隨時和快速疾病檢測的重要性。檢測疾病的能力不僅可以更好地遏制疾病以防止進一步擴散，還可以使流行病學家收集更多信息，以更好地理解原本看不見的神秘的威脅。從揭示傳播途徑到感染率，全球范圍內(nèi)已經(jīng)意識到檢測傳染病的重要性。

由Pantelis Georgiou博士領(lǐng)導的倫敦帝國理工學院的一組研究人員正通過名為“Lacewing”的病原體檢測項目直接解決快速檢測這一問題。

Lacewing在將智能手機應用程序同步到云服務器后的20分鐘內(nèi)提供結(jié)果，使疾病測試變得更便攜，包括SARD-CoV-2-RNA，并通過地理標記自動跟蹤疾病的進展。

它是一個先進的“芯片實驗室”平臺，有望通過結(jié)合分子生物學和最新技術(shù)來填補診斷領(lǐng)域的訪問和信息空白。其他診斷技術(shù)需要大型且昂貴的光學設備，而電感應方法和小巧的Lacewing項目則是方法上的真正發(fā)展。

3D Systems Figure 4 Standalone 3D打印機和具有生物相容性的生產(chǎn)級材料非常有幸可以參與這一項目。Figure 4打印機既用于微流控技術(shù)的原型設計和生產(chǎn)及功能性組件，帝國理工學院的學生兼研究助理Matthew Cavuto提到，Lacewing的關(guān)鍵組件是根據(jù)他對Figure 4的了解而設計的。“微流控技術(shù)是一件棘手的事情，傳統(tǒng)上，制造過程都是通過緩慢，昂貴且勞動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>

盡管設計元件對此項目至關(guān)重要，但這只是高度復雜的解決方案中的一個。除了3D Systems的Figure 4支持的零件復雜性和細節(jié)保真度之外，該3D打印解決方案還幫助研究團隊提高了打印速度，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平臺已經(jīng)開發(fā)了兩年多了，它是一種分子診斷測試，通過識別患者樣品中病原體的DNA或RNA起作用。這種類型的測試不僅可以確定某人是否感染了某種疾?。ǖ歉餆?，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重性。

在新冠肺炎爆發(fā)之前，此測試的推動力是在世界偏遠地區(qū)實現(xiàn)便攜式測試。盡管便攜性在智能手機時代通常被認為是理所當然的，但是分子診斷傳統(tǒng)上需要大型且昂貴的實驗室設備。

Lacewing已使用微芯片用電子技術(shù)取代了先前的光學技術(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。

當研究團隊開始調(diào)整測試以滿足新冠肺炎的全球測試需求時，團隊幾乎每天都開始打印新設計。Cavuto表示這臺機器的速度是一大好處。他說：“我能夠使用Figure 4在一天之內(nèi)打印和測試特定組件的三個版本。在過去的兩個月中，我們輕松完成了30個版本的開發(fā)”。這種快速迭代設計的能力減除了嘗試新事物的麻煩，并且由此產(chǎn)生的實驗和更多的信息收集已導致整個系統(tǒng)的改進。

該團隊使用SOLIDWORKS設計其所有零件，并使用3DSprint?軟件來設置每次打印。3D Sprint是3D Systems的多功能軟件，用于準備，優(yōu)化和管理3D打印過程，對于研究團隊發(fā)現(xiàn)和解決意外問題非常有用。Cavuto表示：“有時候，在“準備”標簽中，我們會收到3D Sprint可以為我們解決的STL錯誤” 。

Cavuto提到，過去使用過許多不同的3D打印機，F(xiàn)igure 4則有所不同，因為在時間，成本和質(zhì)量方面，打印障礙較少。我打印了一個零件，然后看它是否起作用。如果沒有，我會在幾個小時后重新設計并再次打印。由于打印機的速度快，我能夠超級快速地進行迭代。

材料的生物相容性對于預期的反應發(fā)生而不受抑制至關(guān)重要

盡管需要快速測試選項帶來時間壓力，但是速度并不是研究團隊最重要的因素。因為此應用直接與DNA接觸，所以只有某些生物相容性材料才有可能。

帝國理工學院的團隊正在使用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標準的生物相容性（細胞毒性，致敏性和刺激性）*，并且可以通過高壓滅菌器進行滅菌。該材料用于半透明的微流體歧管。

▲Figure 4 MED-AMB 10

Cavuto說：“Figure 4 MED-AMB 10對我們的PCR反應顯示出令人印象深刻的生物相容性?！?“我們過去嘗試過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化學物質(zhì)的相互作用低。” 這對整個項目至關(guān)重要，因為生產(chǎn)材料的任何干擾都可能延遲或阻止預期的反應發(fā)生。

團隊不僅使用Figure 4 MED-AMB 10來打印Lacewing的微流體組件，而且還使用Figure 4 PRO-BLK-10（一種生產(chǎn)級，堅固耐熱的材料）制作設備外殼 ，以及Figure 4 RUBBER-65A BLK（一種新發(fā)布的彈性體材料），用于制作通過設備的墊片?；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。除了電子設備和一些硬件，目前幾乎所有的設備都使用Figure 4系統(tǒng)生產(chǎn)。

▲Figure 4 PRO-BLK-10

 ▲Figure 4 RUBBER-65A BLK

干凈光滑的表面對于Lacewing濾芯的最終功能至關(guān)重要。由于該項目仍處于設計階段，因此該團隊尚未完全加載成型平臺，但估計一次最多可構(gòu)建約三十個微流體盒。考慮到應用的敏感性，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渣或打磨顆粒。Cavuto表示：“我們希望不惜一切代價避免污染，確保零件清潔和消毒對于成功進行反應和準確診斷至關(guān)重要。”

Cavuto估計，總體而言，后處理需要不到20分鐘的時間，而且很多部分可以一次完成整個過程。

一旦通過NHS驗證，研究小組計劃擴大新冠肺炎測試的生產(chǎn)規(guī)模

Cavuto說：“Figure 4改變了我可以打印的東西，或者我認為我具有創(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。”

帝國理工學院的研究小組計劃盡快通過英國國家衛(wèi)生局（NHS）對新冠肺炎測試進行驗證，從而為未來六個月的大規(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)級材料的更多信息，請掃描二維碼，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對單個幾何形狀和樣品組進行的測試。使用者應確認其使用適應性和生物相容性。