挑战
开发生物相容性和功能性的微流体组件，用于快速和便捷诊断测试。
解决方案
3D Systems 的 Figure 4 Standalone 和生产级品质生物相容性材料。
成效
- 生物相容性微流体歧管的快速迭代；
- 生物相容性材料不会抑制必要的生化反应；
- 批量后处理，可提高效率；
- 3D 打印的速度和精度有助于赋予设计更大的试验性。
新型冠状病毒肺炎 (COVID-19) 在全球的突然爆发和令人担忧的增长凸显了有效、快速发现疾病的重要性。检测疾病的能力不仅可以更好地控制疾病以防进一步传播，而且还能使流行病学家收集更多信息，以便更好地了解原本无形、神秘的威胁。无论是揭示传播途径还是感染率，传染病检测的重要性现在已经在全球范围内得到了体现。
由 Pantelis Georgiou 博士带领的伦敦帝国理工学院研究人员团队正通过名为 Lacewing 的病原学检测项目直接解决此问题。Lacewing 通过将智能手机与云服务器同步，在 20 分钟内便可提供检测结果，使包括 SARD-CoV-2-RNA 在内的疾病检测变得十分便捷，并通过地理标记自动跟踪疾病进展。Lacewing 是一个先进的“芯片实验室”平台，有望通过结合分子生物学和最先进的技术来填补诊断学领域的访问和信息空白。其他诊断技术需要借助大型且昂贵的光学设备和电感应方法，而小型的 Lacewing 却提供了真正的改进方法。
Lacewing 背后的关键技术是 3D Systems Figure 4® Standalone 3D 打印机和生物相容性的生产级品质材料。帝国理工学院的博士生兼研究助理 Matthew Cavuto 称，这些关键的 Lacewing 组件也正是基于他所了解的 Figure 4 功能设计而来，可用于原型制造和微流体与功能性组件的生产。Cavuto 表示：“微流体十分棘手，并且传统上是通过缓慢、昂贵且需要大量劳动力的洁净室工艺制造的。”“利用 Figure 4，我们现在能够快速打印带有复杂内部 3D 流体通道的部件来将样品流体输送到芯片上的不同感应区域，从而极大地提高了我们的微流体生产能力。”
尽管设计元素对该项目至关重要，但也只是高度复杂解决方案中的一个方面。除 3D Systems Figure 4 所实现的部件复杂性和细节保真度外，此 3D 打印解决方案还在打印速度、打印质量以及生物相容性材料选项方面为研究团队提供了帮助。
可满足 COVID-19 检测需求的快速迭代
截至目前，Lacewing 平台的开发时间已超过两年，是一种分子诊断检测，可以识别患者样本中的病原体 DNA 或 RNA。这种类型的检测不仅可以确定被检测者是否感染了某种疾病（登革热、疟疾、肺结核、COVID-19 等），还可以确定感染的程度，从而更深入地了解症状的严重程度。
在 COVID-19 爆发之前，进行这种检测主要是为了在世界偏远地区实现便捷检测。尽管便携性在智能手机时代通常被认为是理所当然，但分子诊断传统上需要利用大型且昂贵的实验室设备。Lacewing 不但利用微芯片的电子技术取代了之前的光学技术，而且使用 Figure 4 Standalone 和生物相容性材料实现了快速的原型制造、迭代以及生产。每个 Lacewing 微流体材料盒的尺寸大约为 30 毫米 x 6 毫米 x 5 毫米，以 10 微米的层厚打印而成。
随着研究团队开始调整检测方式以满足 COVID-19 的全球检测需求，Lacewing 开始几乎每天都在打印新的设计。对此，Cavuto 表示，机器的速度便是一大优势。“有一次，利用 Figure 4，我在一天内就打印并测试了一个特定组件的三个版本，”他说道。这种快速迭代设计的能力不会影响尝试新事物，由此产生的实验和增加的信息收集带来了整个系统的改进。Cavuto 表示：“在过去 2 个月里，我们轻松地完成了 30 个版本。”
该团队在 SOLIDWORKS 中设计所有部件，并使用 3D Sprint® 软件来设置每个建模。3D Sprint 是一款由 3D Systems 为准备、优化和管理 3D 打印流程而开发的一体化软件，有助于研究团队发现并解决意外问题。Cavuto 称：“有时候，我们会遇到 STL 错误，而 3D Sprint 可以在准备选项卡中为我们解决这些错误。”
Cavuto 表示，尽管过去使用过许多不同的 3D 打印机，但 Figure 4 与众不同，因为在时间、成本和质量方面，打印的障碍都更少。而对于其他打印机，他会质疑打印是否值得投入时间和材料成本，而使用 Figure 4 则不需考虑这些问题。“我会打印一个部件，然后看它是否合格。如果不合格，我会在几个小时后重新设计并再次打印，“Cavuto 说道。“之所以能快速地进行迭代，就是因为打印机的速度够快。”
真正的生物相容性材料不会抑制化学反应
尽管快速检测选项会面临时间压力，但速度对于研究团队而言并非最重要的因素。因为此应用会直接接触 DNA，所以只有某些生物相容性材料才可能发挥作用。
帝国理工学院团队使用的是 Figure 4® MED-AMB 10，这是一种透明的琥珀色材料，符合 ISO 10993-5 和 -10 对生物相容性（细胞毒性、敏感性和刺激性）的要求，并通过用高压灭菌器灭菌。此材料适用于半透明的微流体歧管。“Figure 4 MED-AMB 10 对我们的 PCR 反应显示出印象深刻的生物相容性，”Cavuto 表示。“我们过去尝试的许多材料都抑制了 PCR 反应，但 Figure 4 MED-AMB 10 显示出与我们化学反应产生的相互作用较低。”这对整个项目至关重要，因为生产材料的任何干扰都可能延迟或阻止预期反应的发生。
使用 Figure 4 的各种材料组合
该团队不仅利用 Figure 4 MED-AMB 10 为 Lacewing 打印微流体组件，而且还使用生产级品质的刚性耐热材料 Figure 4® PRO-BLK-10 和新发布的弹性材料 Figure 4® RUBBER-65A BLK 分别制作设备外罩和通过设备的垫片。Lacewing 的其中一部分甚至是由 Figure 4® FLEX-BLK 20 制作而成，这是一种有着生产聚丙烯外观和触感的材料。除了电子产品和部分硬件外，几乎整个设备目前都是使用 Figure 4 系统生产而来。
在 20 分钟内完成彻底清洁和后处理
干净光滑的表面对于 Lacewing 材料盒的最终功能至关重要。因此，研究团队放弃了 Figure 4 的所有嵌套或堆叠功能，以便单层打印材料盒。由于项目仍处于设计阶段，因此该团队尚未完全加载建模板，但估计一次最多可以构建大约 30 个微流体材料盒。
考虑到应用的敏感性，后处理至关重要。打印后，部件会在异丙醇溶液中进行清洗、固化、打磨并再次清洗，以确保部件完全不含残渣或打磨颗粒。“我们希望不惜一切代价避免产生污染，”Cavuto 表示。“确保部件清洁并完成消毒对于成功反应和准确诊断十分重要。”
总的来说，Cavuto 估计后处理所需时间不到 20 分钟，而且很多部件可以一次性通过整个流程。
全新的发展与创新能力
“Figure 4 改变了我能打印的内容，或者我认为能够创建的东西，”Cavuto 说道。“你能想到的所有类型的 3D 打印机，我可能都已经使用过了。在分辨率、速度、曲面质量、材料范围和生物相容性方面，Figure 4 是当之无愧的翘楚。”
帝国理工学院的研究团队计划尽快请英国国家卫生局 (NHS) 验证 COVID-19 检测的有效性，以便为未来 6 个月内的大规模生产铺平道路。如需全面了解 Lacewing 的工作原理，请浏览与帝国理工学院研究团队相关的信息页面。
要了解有关 3D Systems Figure 4 和生物相容性生产级品质材料的更多信息，请下载我们的材料指南。
* 生物相容性基于 3D Systems 根据 ISO 10993-5 和 ISO 10993-10 标准对单个几何形状和样品组进行的测试。用户应针对自己的应用确认适用性和生物相容性。
