Figure 4打印机助力新冠肺炎快速诊断设备研发

伦敦帝国理工学院的Lacewing项目是一个用于诊断和跟踪疾病的芯片实验室平台，其关键部件使用3D Systems的Figure 4打印机和具有生物相容性的材料进行3D打印。

挑战

开发具有生物相容性和功能性的微流体组件，以进行快速和便携式诊断测试。

解决方案

3D Systems的Figure 4 Standalone打印机和具有生物相容性的材料。

结果

• 生物相容性微流体歧管的快速迭代；

• 生物相容性材料不抑制必要的生化反应；

• 批量批处理以提高效率；        

• 3D打印的速度和准确性鼓励在设计中进行更多的试验。

全球新冠肺炎的突发和令人震惊的发展突显了随时和快速疾病检测的重要性。检测疾病的能力不仅可以更好地遏制疾病以防止进一步扩散，还可以使流行病学家收集更多信息，以更好地理解原本看不见的神秘的威胁。从揭示传播途径到感染率，全球范围内已经意识到检测传染病的重要性。

由Pantelis Georgiou博士领导的伦敦帝国理工学院的一组研究人员正通过名为“Lacewing”的病原体检测项目直接解决快速检测这一问题。

Lacewing在将智能手机应用程序同步到云服务器后的20分钟内提供结果，使疾病测试变得更便携，包括SARD-CoV-2-RNA，并通过地理标记自动跟踪疾病的进展。

它是一个先进的“芯片实验室”平台，有望通过结合分子生物学和最新技术来填补诊断领域的访问和信息空白。其他诊断技术需要大型且昂贵的光学设备，而电感应方法和小巧的Lacewing项目则是方法上的真正发展。

3D Systems Figure 4 Standalone 3D打印机和具有生物相容性的生产级材料非常有幸可以参与这一项目。Figure 4打印机既用于微流控技术的原型设计和生产及功能性组件，帝国理工学院的学生兼研究助理Matthew Cavuto提到，Lacewing的关键组件是根据他对Figure 4的了解而设计的。“微流控技术是一件棘手的事情，传统上，制造过程都是通过缓慢，昂贵且劳动密集型的洁净室工艺完成。借助Figure 4，我们现在能够使用复杂的内部3D流体通道快速打印零件，以将样品流体传输到芯片上的不同传感区域，从而大大提高了我们的微流体生产能力。”

尽管设计元件对此项目至关重要，但这只是高度复杂的解决方案中的一个。除了3D Systems的Figure 4支持的零件复杂性和细节保真度之外，该3D打印解决方案还帮助研究团队提高了打印速度，打印质量和丰富了生物相容性材料的选择。

Figure 4 MED-AMB 10材料打印的微流控盒装在Figure 4 PRO-BLK 10材料打印的外壳中

Lacewing平台已经开发了两年多了，它是一种分子诊断测试，通过识别患者样品中病原体的DNA或RNA起作用。这种类型的测试不仅可以确定某人是否感染了某种疾病（登革热，疟疾，结核病，新冠肺炎等），而且还可以确定到什么程度，从而可以更深入地了解症状的严重性。

在新冠肺炎爆发之前，此测试的推动力是在世界偏远地区实现便携式测试。尽管便携性在智能手机时代通常被认为是理所当然的，但是分子诊断传统上需要大型且昂贵的实验室设备。

Lacewing已使用微芯片用电子技术取代了先前的光学技术，并已使用Figure 4 Standalone具有生物相容性的材料迅速打印了原型，迭代和生产。每个Lacewing微流控墨盒大约30毫米x 6毫米x 5毫米，以10微米的层打印。

当研究团队开始调整测试以满足新冠肺炎的全球测试需求时，团队几乎每天都开始打印新设计。Cavuto表示这台机器的速度是一大好处。他说：“我能够使用Figure 4在一天之内打印和测试特定组件的三个版本。在过去的两个月中，我们轻松完成了30个版本的开发”。这种快速迭代设计的能力减除了尝试新事物的麻烦，并且由此产生的实验和更多的信息收集已导致整个系统的改进。

该团队使用SOLIDWORKS设计其所有零件，并使用3DSprint®软件来设置每次打印。3D Sprint是3D Systems的多功能软件，用于准备，优化和管理3D打印过程，对于研究团队发现和解决意外问题非常有用。Cavuto表示：“有时候，在“准备”标签中，我们会收到3D Sprint可以为我们解决的STL错误” 。

Cavuto提到，过去使用过许多不同的3D打印机，Figure 4则有所不同，因为在时间，成本和质量方面，打印障碍较少。我打印了一个零件，然后看它是否起作用。如果没有，我会在几个小时后重新设计并再次打印。由于打印机的速度快，我能够超级快速地进行迭代。

材料的生物相容性对于预期的反应发生而不受抑制至关重要

尽管需要快速测试选项带来时间压力，但是速度并不是研究团队最重要的因素。因为此应用直接与DNA接触，所以只有某些生物相容性材料才有可能。

帝国理工学院的团队正在使用Figure 4 MED-AMB 10，这是一种透明的琥珀色材料，能够满足ISO 10993-5和-10标准的生物相容性（细胞毒性，致敏性和刺激性）*，并且可以通过高压灭菌器进行灭菌。该材料用于半透明的微流体歧管。

▲Figure 4 MED-AMB 10

Cavuto说：“Figure 4 MED-AMB 10对我们的PCR反应显示出令人印象深刻的生物相容性。” “我们过去尝试过的许多材料都抑制了它们，但是Figure 4 MED-AMB 10显示出与我们的反应化学物质的相互作用低。” 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的反应发生。

团队不仅使用Figure 4 MED-AMB 10来打印Lacewing的微流体组件，而且还使用Figure 4 PRO-BLK-10（一种生产级，坚固耐热的材料）制作设备外壳 ，以及Figure 4 RUBBER-65A BLK（一种新发布的弹性体材料），用于制作通过设备的垫片。花边的一部分由Figure 4 FLEX-BLK 20制成，这种材料具有生产聚丙烯的外观和感觉。除了电子设备和一些硬件，目前几乎所有的设备都使用Figure 4系统生产。

▲Figure 4 PRO-BLK-10

 ▲Figure 4 RUBBER-65A BLK

干净光滑的表面对于Lacewing滤芯的最终功能至关重要。由于该项目仍处于设计阶段，因此该团队尚未完全加载成型平台，但估计一次最多可构建约三十个微流体盒。考虑到应用的敏感性，后处理至关重要。 打印完成后，零件将在IPA中清洗，固化，打磨并再次清洗，以确保零件完全不含残渣或打磨颗粒。Cavuto表示：“我们希望不惜一切代价避免污染，确保零件清洁和消毒对于成功进行反应和准确诊断至关重要。”

Cavuto估计，总体而言，后处理需要不到20分钟的时间，而且很多部分可以一次完成整个过程。

一旦通过NHS验证，研究小组计划扩大新冠肺炎测试的生产规模

Cavuto说：“Figure 4改变了我可以打印的东西，或者我认为我具有创造能力的东西。” “在分辨率，速度，表面质量，材料范围和生物相容性方面，Figure 4都具有很大的优势。”

帝国理工学院的研究小组计划尽快通过英国国家卫生局（NHS）对新冠肺炎测试进行验证，从而为未来六个月的大规模生产铺平道路。