Внезапное и тревожное глобальное распространение COVID-19 подчеркнуло важность открытия доступного и быстрого способа выявления заболевания. Возможность оперативного тестирования не только позволяет сдерживать «продвижение» болезни, но и помогает эпидемиологам собрать больше информации, чтобы лучше понять загадочную угрозу. Сегодня все осознали важность тщательного изучения инфекционных заболеваний, включая выявление способов передачи и темпы инфицирования.

Группа исследователей Имперского колледжа Лондона предложила проект Lacewing для обнаружения патогенов. Результаты тестирования можно получить в течение 20 минут из приложения для смартфона, синхронизированного с облачным сервером. Кроме того, разработка автоматически отслеживает прогрессирования заболевания с помощью геотегов. Эта своеобразная «лаборатория на кристалле» обещает заполнить пробелы в процедуре диагностики путем объединения молекулярной биологии и новейших технологий. В то время как для других диагностических процедур требуется большое и дорогое оптическое оборудование, метод электрического зондирования и компактные размеры Lacewing – это настоящая революция.

Ключевой технологией, положенной в основу проекта, стала диагностика с помощью Figure 4 Standalone компании 3D Systems, использующая автономный 3D-принтер и биосовместимые промышленные материалы. Базовые компоненты Lacewing были разработаны с помощью медленных, дорогих и трудоемких процессов в стерильных помещениях. Благодаря Figure 4 теперь можно быстро печатать детали со сложными внутренними трехмерными каналами, которые предназначены для транспортировки пробы жидкости к различным чувствительным областям на чипе.

Быстрые итерации для удовлетворения потребности в тестировании на COVID-19

Платформа Lacewing находится в разработке чуть более двух лет и представляет собой молекулярный диагностический тест, который работает путем идентификации ДНК или РНК-патогена в образце пациента. Этот тип диагностики позволяет не только понять, инфицирован ли человек определенным заболеванием (малярия, туберкулез, COVID-19), но и в какой степени находится болезнь, что помогает лучше понять серьезность симптомов.

До вспышки коронавирусной инфекции толчком к научным исследованиям стала потребность в портативном оборудовании для тестирования в отдаленных районах мира. Хотя в век смартфонов компактность устройств часто считается само собой разумеющейся, молекулярная диагностика традиционно требовала большого и дорогого лабораторного оборудования. Lacewing сменил предыдущую оптическую технику на электрическую, использующую микрочипы. Устройство быстрой диагностики с помощью 3D-печати было прототипировано, повторено и произведено с применением Figure 4 Standalone и биосовместимых материалов. Каждый микрожидкостный картридж Lacewing имеет габариты примерно 30 мм x 6 мм x 5 мм и напечатан слоями толщиной 10 микрометров.

Поскольку исследовательская группа начала адаптировать тест для удовлетворения глобальной потребности в тестировании на COVID-19, она стала ежедневно генерировать новые дизайны. Способность быстро итерировать проекты устранила трение, связанное с попытками попробовать что-то новое. В результате экспериментирование и увеличение объема актуальной информации привели к улучшениям в системе в целом.

Команда проектирует в программном комплексе САПР Solidworks и использует ПО 3D Sprint для запуска каждой сборки. Универсальное программное обеспечение от 3D Systems предназначено для подготовки, оптимизации и управления процессом 3D-печати. Софт был полезен исследовательской группе при выявлении нестыковок и решении неожиданных проблем, поскольку на нем меньше ограничений для работы с точки зрения времени, стоимости и качества.

Истинно биосовместимые материалы не подавляют химические реакции

Несмотря на нехватку времени для тестирования вариантов, скорость не стала самым важным фактором для исследовательской группы. Поскольку устройство быстрой диагностики вступает в прямой контакт с ДНК, работа возможна только с определенными биосовместимыми полимерами.
Команда Имперского колледжа использует Figure 4-MED-AMB-10, прозрачный янтарный материал, отвечающий стандартам ISO 10993-5 и -10 по биосовместимости (цитотоксичность, сенсибилизация и раздражение), который можно стерилизовать в автоклаве. Состав используется для изготовления полупрозрачных микрофлюидных коллекторов. Биосовместимость материалов принципиально важна для протекания намеченной реакции без подавления, поскольку любое вмешательство производственных ресурсов может задержать или предотвратить запланированный отзыв.

Использование разнообразных материалов

Команда задействует широкий спектр ресурсов Figure 4. Например, промышленный, жесткий, термостойкий фотополимер Figure-4-PRO-BLK-10 применяют для корпуса устройства, а недавно выпущенный эластомерный пластик Figure 4-RUBBER-65A BLK – для создания уплотнителей. Часть оборудования Lacewing сделана из Figure-4-FLEX-BLK-20, состава, внешне напоминающего производственный полипропилен. Помимо электроники и некоторого оборудования, почти все компоненты прибора в настоящее время производятся с использованием системы Figure 4.

Полная очистка и последующая обработка менее чем за 20 минут

Чистая и гладкая поверхность имеет решающее значение для окончательной функциональности картриджей Lacewing. По этой причине исследовательская группа расположения детали друг над другом при печати. Поскольку проект все еще находится на стадии разработки, команда не полностью загрузила рабочую пластину, но оценивает максимальную загрузку примерно из тридцати микрожидкостных картриджей за один раз.
Учитывая чувствительность приложения, постобработка играет значимую роль. После печати детали моются в ванне из IPA, отверждаются, шлифуются и снова промываются, чтобы убедиться, что все элементы очищены от остатков материала или частиц абразива.

Новые возможности для развития и инноваций

По мнению разработчиков, с точки зрения разрешения, скорости, качества поверхности, ассортимента материалов и биосовместимости нет ничего, что могло бы сравниться с Figure 4. Исследовательская группа Имперского колледжа планирует в ближайшее время утвердить тест на COVID-19 в Национальной службе здравоохранения Великобритании (NHS), что откроет путь для масштабного производства в течение следующих шести месяцев.

Источник