[내구성부품]Figure 4 Standalone 사용하여 개발 된 빠른 진단 장치

Imperial College London의 Lacewing 프로젝트는 랩 온칩 플랫폼으로, 3D Systems의 Figure 4 를 사용하여 3D 프린트 된 주요 구성 요소와 생체 적합 가능한 재료를 사용하여 질병을 진단하고 추적합니다.


Challenge

신속하고 휴대용 진단 테스트를 위한 생체 적합성 및 기능성 미세 유체 구성 요소를 개발.


Solution

3D Systems의 Figure 4 Standalone 및 생산 등급의 생체 호환 가능 물질.


Reaults

생체 적합성 미세 유체 매니 폴드의 신속한 반복;

생체 적합성 물질은 필요한 생화학 반응을 저해하지 않는다;

효율성 향상을위한 배치 후 처리;

3D 프린트의 속도와 정확성은 디자인에서 더 큰 실험을 장려.


COVID-19의 갑작스럽고 무서울 정도로 글로벌 상승은 접근 가능하고 신속한 질병 탐지의 중요성을 강조했습니다. 질병을 검사하는 능력은 추가적인 확산을 막기 위해 더 나은 방지를 가능하게 할뿐만 아니라, 역학자들이 더 많은 정보를 수집해서 보이지 않는 위협에 대해 더 잘 이해할 수 있게 합니다.  전염 수단 공개에서부터 감염률에 이르기까지, 검사의 중요성은 이제 전세계적으로 느껴지고 있습니다.


Pantelis Georgiou 박사가 이끄는 Imperial College London의 연구팀은 병원균 탐지를위한 Lacewing이라는 프로젝트를 통해 이 문제를 해결하고 있습니다. 클라우드 윙과 동기화 된 스마트 폰 앱에서 20 분 이내에 결과를 제공하는 Lacewing은 SARD-CoV-2-RNA를 포함한 질병 테스트를 이식 가능하게하고 지오 태깅을 통해 질병 진행 추적을 자동화합니다. 이 기술은 분자 생물학과 최첨단 기술을 접목해서 진단계에서 액세스 및 정보 갭을 채울 수있는 정교한 "lab-on-a-chip"플랫폼입니다. 다른 진단 기술에는 크고 비싼 광학 장비가 필요로 하는 반면, 전기 감지 방법과 작은 크기의 Lacewing은 접근 방식에서  진정한 진화입니다.


Lacewing의 기술 중 핵심은 3D Systems Figure 4® Standalone 3D 프린터 및 생체 호환 가능 생산 등급 재료입니다. Imperial College PhD 학생이자 연구 조교 인 Matthew Cavuto는 미세 유체 학 및 기능성 구성 요소의 프로토 타입 제작 및 생산에 사용되며 핵심 Lacewing 구성 요소는 그가 Figure 4 에서 알고있는 기능을 기반으로 설계되었다고 말합니다.“미세 유체는 까다 롭고 전통적으로 제작되었습니다. 느리고 비싸고 노동 집약적 인 클린 룸 프로세스를 통해 이루어졌습니다.”라고 Cavuto는 말합니다. "Figure 4 를 통해 칩 내부의 다른 감지 영역으로 샘플 유체를 운반하기 위해 복잡한 내부 3D 유체 채널이있는 부품을 빠르게 프린트 할 수 있어 미세 유체 생산 능력이 크게 향상되었습니다."


이 프로젝트에서 디자인 요소만큼이나 중요한 것은 매우 정교한 솔루션 중 하나 일뿐입니다. 이 3D 프린팅 솔루션은 3D Systems의 Figure 4를 통해 구현 된 부품 복잡성 및 세부 충실도 외에도 프린트 속도, 프린트 품질 및 생체 적합성 재료 옵션을 통해 연구팀에게 도움을 주었습니다.


Figure 4 에서 프린트 된 미세 유체 카트리지 3D Figure 4 PRO-BLK 10에 프린트 된 엔클로저의 MED-AMB 10

COVID-19 테스트의 필요성에 대한 빠른 반복


Lacewing 플랫폼은 현재 2 년이 조금 넘게 개발되어 왔으며, 환자 샘플 내 병원체의 DNA 또는 RNA를 식별하여 작동하는 분자 진단 테스트입니다. 이 유형의 검사를 통해 누군가 특정 질병 (뎅기열, 말라리아, 결핵, COVID-19 등)에 감염되었는지 알아낼수도 있고 증상의 심각성에 대한 더 많은 통찰력을 제공하는 정도까지 확인할 수 있습니다.


COVID-19가 발생하기 전에 이 테스트의 원동력은 전 세계 원격 지역에서 휴대용 테스트를 가능케 하는 것이 었습니다. 휴대성이 스마트 폰 시대에 당연한 것으로 여겨지지만, 분자 진단에는 전통적으로 크고 비싼 실험실 장비가 필요했습니다. Lacewing은 이전의 광학 기술을 마이크로 칩을 사용하는 전기 기술로 대체했으며, Figure 4 Standalone 및 생체 적합성 재료를 사용하여 신속하게 프로토 타입, 반복 및 제작되었습니다. 각 Lacewing 미세 유체 카트리지는 약 30mm x 6mm x 5mm이며 10 마이크론 층으로 프린트 됩니다.


연구팀은 COVID-19의 글로벌 테스트 요구에 기여하기 위해 테스트를 조정하기 시작하면서 거의 매일 새로운 디자인을 프린트 하기 시작했습니다. 이를 위해 Cavuto는 기계의 속도가 주요 이점이라고 말했습니다. "한 시점에서, Figure 4 를 사용하여 하루에 특정 구성 요소의 3 가지 버전을 프린트하고 테스트 할 수 있었습니다."라고 그는 말합니다. 설계를 빠르게 반복 할 수 있는이 기능은 새로운 것을 시도하는 데 따른 마찰을 제거했으며 그 결과, 실험과 정보 수집이 증가하여 전체 시스템이 향상되었습니다. Cavuto는“지난 2 개월 동안 30 개의 버전을 쉽게 검토했습니다.


그 팀은 SOLIDWORKS에서 모든 부품을 설계하고 3D Sprint® 소프트웨어를 사용하여 각 빌드를 설정합니다. 3D Sprint는 3D 프린트 프로세스를 준비, 최적화 및 관리하기위한 3D Systems의 일체형 소프트웨어이며, 연구팀이 예기치 않은 문제를 찾아 해결하는 데 유용했습니다. Cavuto는“준비 탭에서 3D 스프린트로 해결할 수있는 STL 오류가 나타날 수 있는 경우가 있습니다" 이라고 말했다.


Cavuto는 과거에 여러 다른 3D 프린터로 작업 해 왔지만 시간, 비용 및 품질 측면에서 프린트에 대한 장벽이 적기 때문에 Figure 4 가 다르다고 말합니다. 다른 프린터에서는 시간과 재료 비용면에서 프린트 물이 가치가 있는지에 대해 의문을 제기 한 반면 Figure 4는 이러한 문제를 제거했습니다. “부품을 프린트하여 작동하는지 확인합니다. 그렇지 않은 경우 몇 시간 후에 다시 디자인하고 다시 프린트합니다.”라고 Cavuto는 말합니다. "프린터가 굉장히 빠르기 때문에 빠르게 반복 할 수 있습니다."


진정한 생체 적합성 재료는 화학 반응을 방해하지 않습니다


빠른 테스트 옵션에 대한 시간 압박에도 불구하고 속도가 연구팀에게는 가장 중요한 요소는 아니 었습니다. 이 응용 프로그램은 DNA와 직접 접촉하기 때문에 특정 생체 적합성 물질에서만 가능합니다.


Imperial College 팀은 생체 적합성 (세포 독성, 감작 및 자극) *에 대해 ISO 10993-5 및 -10 표준을 충족 할 수있는 투명한 호박색 소재 인 Figure 4® MED-AMB 10 *을 사용하고 있으며 오토 클레이브를 통해 멸균 할 수 있습니다. 이 재료는 반투명 미세 유체 매니 폴드에 사용됩니다. Cavuto는“Figure 4 MED-AMB 10은 우리의 PCR 반응에 대한 뛰어난 생체 적합성을 보여 주었다. "과거에 우리가 시도한 많은 재료들이 그것들을 억제했지만 Figure 4 MED-AMB 10은 우리의 반응 화학과 낮은 상호 작용을 보여주었습니다." 이는 생산 재료에 의한 간섭으로 의도 된 반응이 지연되거나 방지 될 수 있기 때문에 전체 프로젝트에 중요합니다.


물질의 생체 적합성은 의도 된 반응이 억제없이 발생하는데 중요합니다.


Figure 4의 다양한 재료 포트폴리오 사용


연구팀은 Lacewing 용 미세 유체 구성 요소를 프린트 하기 위해 Figure 4 MED-AMB 10을 사용할 뿐만 아니라 장치 외함을 위해 생산 등급의 강성, 내열 재료 인 Figure 4® PRO-BLK-10을 사용하고 있습니다. 장치를 통한 개스킷 용으로 새로 출시 된 엘라스토머 재료 인 Figure 4 RUBBER-65A BLK. Lacewing의 한 부분은 polypropylene의 모양과 느낌을 가진 소재 인 Figure 4® FLEX-BLK 20으로 만들어졌습니다. 전자 장치 및 일부 하드웨어 외에도 현재 거의 모든 장치가 Figure 4시스템을 사용하여 생산됩니다.


20 분 이내에 완전히 세척 및 후 처리


Lacewing 카트리지의 최종 기능성은 깨끗하고 매끄러운 표면이 중요합니다. 이러한 이유로 연구팀은 카트리지를 단일 레이어로 프린트하기 위해 Figure 4의 중첩 또는 스태킹 기능을 능가합니다. 프로젝트가 아직 설계 단계에 있으므로 팀은 아직 제작 판을 완전히 로드하지 않았지만 한 번에 약 30 개의 미세 유체 카트리지의 최대 제작을 추정합니다.


응용 프로그램의 민감도를 고려할 때 후 처리가 중요합니다. 프린트가 완료되면 부품을 IPA 욕조에서 세척하고 경화, 샌딩 및 다시 세척하여 부품에 잔유물이나 샌딩 입자가 없는지 확인합니다. Cavuto는“모든 비용으로 오염을 피하고 싶습니다. 성공적인 반응과 정확한 진단을 위해서는 부품을 깨끗히하고 살균해야합니다.”


전체적으로 Cavuto는 후 처리에 20 분이 걸리지 않으며 많은 부분이 한 번에 프로세스를 통과 할 수 있다고 추정합니다.


NHS로 검증되면 연구팀은 COVID-19 테스트의 생산을 확장 할 계획입니다.


개발 및 혁신을위한 새로운 기능


Cavuto는“Figure 4는 내가 무엇을 프린트를 하는 것과 내가  창조 할 수 있는 능력이 있다고 생각하는 것을 변화 시켰습니다." 라고말합니다. "해상도, 속도, 표면 품질, 재료 범위 및 생체 적합성 측면에서 Figure 4와 비교할만한 것은 없으며 아마도 상상할 수있는 모든 유형의 3D 프린터를 사용했을 것입니다."


영국 임페리얼 칼리지 (Imperial College) 연구팀은 COVID-19 테스트를 영국 국립 보건원 (NHS)과 함께 곧 검증하여 향후 6 개월 내에 생산 규모를 확대 할 계획입니다.