應用案例-實威國際

倫敦帝國理工學院的 Lacewing 項目是一個用於診斷和跟蹤疾病的芯片實驗室平臺，其關鍵組件採用 3D Systems 的 Figure 4 和生物相容性材料 3D 列印而來。

挑戰
開發生物相容性和功能性的微流體組件，用於快速和便捷診斷測試。

解決方案

3D Systems 的 Figure 4™ Standalone 和生產級品質生物相容性材料。

成效

l 生物相容性微流體歧管的快速迭代

l 生物相容性材料不會抑制必要的生化反應

l 批量後處理，可提高效率

l 3D 列印的速度和精度有助於賦予設計更大的試驗性

新型冠狀病毒肺炎 (COVID-19) 在全球的突然爆發和令人擔憂的增長凸顯了有效、快速發現疾病的重要性。檢測疾病的能力不僅可以更好地控制疾病以防進一步傳播，而且還能使流行病學家收集更多信息，以便更好地瞭解原本無形、神秘的威脅。無論是揭示傳播途徑還是感染率，傳染病檢測的重要性現在已經在全球範圍內得到了體現。

由 Pantelis Georgiou 博士帶領的倫敦帝國理工學院研究人員團隊正通過名為 Lacewing 的病原學檢測項目直接解決此問題。Lacewing 通過將智能手機與雲服務器同步，在 20 分鐘內便可提供檢測結果，使包括 SARD-CoV-2-RNA 在內的疾病檢測變得十分便捷，並通過地理標記自動跟蹤疾病進展。Lacewing 是一個先進的“芯片實驗室”平臺，有望通過結合分子生物學和最先進的技術來填補診斷學領域的訪問和信息空白。其他診斷技術需要借助大型且昂貴的光學設備和電感應方法，而小型的 Lacewing 卻提供了真正的改進方法。

Lacewing 背後的關鍵技術是 3D Systems Figure 4® Standalone 3D 列印機和生物相容性的生產級品質材料。帝國理工學院的博士生兼研究助理 Matthew Cavuto 稱，這些關鍵的 Lacewing 組件也正是基於他所瞭解的 Figure 4 功能設計而來，可用於原型製造和微流體與功能性組件的生產。Cavuto 表示：“微流體十分棘手，並且傳統上是通過緩慢、昂貴且需要大量勞動力的潔淨室工藝製造的。”“利用 Figure 4，我們現在能夠快速列印帶有複雜內部 3D 流體通道的部件來將樣品流體輸送到芯片上的不同感應區域，從而極大地提高了我們的微流體生產能力。”

儘管設計元素對該項目至關重要，但也只是高度複雜解決方案中的一個方面。除 3D Systems Figure 4 所實現的部件複雜性和細節保真度外，此 3D 列印解決方案還在列印速度、列印質量以及生物相容性材料選項方面為研究團隊提供了幫助。

以 Figure 4 MED-AMB 10 3D 列印的微流體材料盒，外殼以 Figure 4 PRO-BLK 10 列印

可滿足 COVID-19 檢測需求的快速迭代

截至目前，Lacewing 平臺的開發時間已超過兩年，是一種分子診斷檢測，可以識別患者樣本中的病原體 DNA 或 RNA。這種類型的檢測不僅可以確定被檢測者是否感染了某種疾病（登革熱、瘧疾、肺結核、COVID-19 等），還可以確定感染的程度，從而更深入地瞭解症狀的嚴重程度。

在 COVID-19 爆發之前，進行這種檢測主要是為了在世界偏遠地區實現便捷檢測。儘管便攜性在智能手機時代通常被認為是理所當然，但分子診斷傳統上需要利用大型且昂貴的實驗室設備。Lacewing 不但利用微芯片的電子技術取代了之前的光學技術，而且使用 Figure 4™ Standalone 和生物相容性材料實現了快速的原型製造、迭代以及生產。每個 Lacewing 微流體材料盒的尺寸大約為 30 毫米 x 6 毫米 x 5 毫米，以 10 微米的層厚列印而成。

隨著研究團隊開始調整檢測方式以滿足 COVID-19 的全球檢測需求，Lacewing 開始幾乎每天都在列印新的設計。對此，Cavuto 表示，機器的速度便是一大優勢。“有一次，利用 Figure 4，我在一天內就列印並測試了一個特定組件的三個版本，”他說道。這種快速迭代設計的能力不會影響嘗試新事物，由此產生的實驗和增加的信息收集帶來了整個系統的改進。Cavuto 表示：“在過去 2 個月裡，我們輕鬆地完成了 30 個版本。”

該團隊在 SOLIDWORKS 中設計所有部件，並使用 3D Sprint® 軟件來設置每個建模。3D Sprint 是一款由 3D Systems 為準備、優化和管理 3D 列印流程而開發的一體化軟件，有助於研究團隊發現並解決意外問題。Cavuto 稱：“有時候，我們會遇到 STL 錯誤，而 3D Sprint 可以在準備選項卡中為我們解決這些錯誤。”

Cavuto 表示，儘管過去使用過許多不同的 3D 列印機，但 Figure 4 與眾不同，因為在時間、成本和質量方面，列印的障礙都更少。而對於其他列印機，他會質疑列印是否值得投入時間和材料成本，而使用 Figure 4 則不需考慮這些問題。“我會列印一個部件，然後看它是否合格。如果不合格，我會在幾個小時後重新設計並再次列印，“Cavuto 說道。“之所以能快速地進行迭代，就是因為列印機的速度夠快。”

材料的生物相容性對於發生預期反應而不受抑制至關重要

真正的生物相容性材料不會抑制化學反應

儘管快速檢測選項會面臨時間壓力，但速度對於研究團隊而言並非最重要的因素。因為此應用會直接接觸 DNA，所以只有某些生物相容性材料才可能發揮作用。

帝國理工學院團隊使用的是 Figure 4® MED-AMB 10，這是一種透明的琥珀色材料，符合 ISO 10993–5 和 -10 對生物相容性（細胞毒性、敏感性和刺激性）的要求，並通過用高壓滅菌器滅菌。此材料適用於半透明的微流體歧管。“Figure 4 MED-AMB 10 對我們的 PCR 反應顯示出印象深刻的生物相容性，”Cavuto 表示。“我們過去嘗試的許多材料都抑制了 PCR 反應，但 Figure 4 MED-AMB 10 顯示出與我們化學反應產生的相互作用較低。”這對整個項目至關重要，因為生產材料的任何干擾都可能延遲或阻止預期反應的發生。

使用 Figure 4 的各種材料組合

該團隊不僅利用 Figure 4 MED-AMB 10 為 Lacewing 列印微流體組件，而且還使用生產級品質的剛性耐熱材料 Figure 4® PRO-BLK-10 和新發佈的彈性材料 Figure 4® RUBBER-65A BLK 分別製作設備外罩和通過設備的墊片。Lacewing 的其中一部分甚至是由 Figure 4® FLEX-BLK 20 製作而成，這是一種有著生產聚丙烯外觀和觸感的材料。除了電子產品和部分硬件外，幾乎整個設備目前都是使用 Figure 4 系統生產而來。

在 20 分鐘內完成徹底清潔和後處理

乾淨光滑的表面對於 Lacewing 材料盒的最終功能至關重要。因此，研究團隊放棄了 Figure 4 的所有嵌套或堆疊功能，以便單層列印材料盒。由於項目仍處於設計階段，因此該團隊尚未完全加載建模板，但估計一次最多可以構建大約 30 個微流體材料盒。

考慮到應用的敏感性，後處理至關重要。列印後，部件會在異丙醇溶液中進行清洗、固化、打磨並再次清洗，以確保部件完全不含殘渣或打磨顆粒。“我們希望不惜一切代價避免產生污染，”Cavuto 表示。“確保部件清潔並完成消毒對於成功反應和準確診斷十分重要。”

總的來說，Cavuto 估計後處理所需時間不到 20 分鐘，而且很多部件可以一次性通過整個流程。