Dispositivo di diagnostica rapida sviluppato con Figure 4 Standalone

L’improvvisa e allarmante diffusione a livello globale del COVID-19 ha evidenziato l’importanza di poter contare sul rilevamento rapido e accessibile delle malattie. La capacità di effettuare test per rilevare la presenza di patologie non solo consente un migliore contenimento al fine di prevenire un’ulteriore diffusione, ma permette agli epidemiologi di raccogliere maggiori informazioni per comprendere meglio una minaccia altrimenti invisibile e misteriosa. Dall’identificazione dei mezzi di trasmissione ai tassi di contagio, la criticità dei test per il rilevamento delle malattie infettive è ora avvertita a livello globale.

A tale scopo, un team di ricercatori dell’Imperial College London guidato dal Dott. Pantelis Georgiou ha sviluppato un dispositivo per il rilevamento degli agenti patogeni chiamato Lacewing. Grazie alla capacità di ottenere risultati entro 20 minuti mediante un’app per smartphone sincronizzata con un server cloud, Lacewing rende i test delle malattie (tra cui SARS-CoV-2-RNA) trasportabili ovunque e automatizza il tracciamento della diffusione attraverso il geotagging. Il dispositivo è una sofisticata piattaforma “lab-on-a-chip” che, combinando biologia molecolare e tecnologia allo stato dell’arte, promette di colmare le lacune della diagnostica in termini di accesso e informazioni. Mentre altre tecnologie diagnostiche richiedono apparecchiature ottiche ingombranti e costose, il metodo di rilevamento elettrico e le piccole dimensioni di Lacewing rappresentano una vera evoluzione a livello di approccio.

Tra le tecnologie alla base di Lacewing, un ruolo fondamentale è quello svolto dalla stampante 3D Figure 4^® Standalone e dai materiali biocompatibili ad alte prestazioni di 3D Systems. Matthew Cavuto, dottorando e assistente ricercatore presso l’Imperial College, ci ha raccontato che Figure 4 è stata utilizzata sia per la prototipazione che per la produzione di componenti microfluidici e funzionali e che i componenti chiave di Lacewing sono stati progettati in base alle capacità offerte dalla stampante. “La microfluidica è una disciplina complessa e la fabbricazione di componenti viene tradizionalmente eseguita attraverso processi in camera bianca lenti, costosi e molto laboriosi”, afferma Cavuto. “Oggi, grazie a Figure 4 siamo in grado di stampare rapidamente in 3D parti con canali fluidici interni complessi per trasportare il fluido campione alle diverse aree di rilevamento sul chip, migliorando notevolmente le nostre capacità di produzione microfluidica”.

Per quanto sia fondamentale ai fini di questo processo, la progettazione rappresenta solo una parte di una soluzione altamente sofisticata. Oltre alla complessità delle parti e alla fedeltà dei dettagli offerte dalla stampante Figure 4 di 3D Systems, questa soluzione di stampa 3D ha aiutato il team di ricerca fornendo velocità e qualità di stampa, nonché opzioni di materiali biocompatibili.

Lo sviluppo della piattaforma Lacewing è stato avviato poco più di due anni fa e il dispositivo è un test diagnostico molecolare che funziona identificando il DNA o l’RNA di un agente patogeno contenuto nel campione di un paziente. Questo tipo di test consente di determinare non solo se un individuo è affetto o meno da una certa malattia (dengue, malaria, tubercolosi, COVID-19 ecc.), ma anche fino a che punto ne è affetto, offrendo così una maggiore comprensione della gravità dei sintomi.

Prima della diffusione del COVID-19, lo scopo principale di questo progetto era consentire l’esecuzione di test diagnostici anche in aree remote del mondo. Anche se nell’era degli smartphone la portabilità è spesso data per scontata, la diagnostica molecolare continua a richiedere attrezzature di laboratorio ingombranti e costose. Lacewing ha sostituito la precedente tecnica ottica con una elettrica che si basa sull’utilizzo di microchip ed è stata rapidamente prototipizzata, iterata e prodotta utilizzando Figure 4 Standalone e materiali biocompatibili. Ogni cartuccia microfluidica Lacewing misura circa 30 mm x 6 mm x 5 mm ed è stampata in strati di 10 micron.

Dopo aver studiato un modo per adattare il test alle nuove esigenze derivanti dall’emergenza COVID-19, il team di ricerca ha iniziato a stampare nuovi progetti con frequenza quasi giornaliera e la velocità della macchina si è rivelata un grande vantaggio in questo senso. “A un certo punto, grazie a Figure 4 sono stato in grado di stampare e testare tre versioni di un particolare componente in un solo giorno”, spiega Cavuto. Questa capacità di iterare rapidamente i progetti ci ha consentito di provare qualcosa di nuovo e la sperimentazione che ne è derivata, insieme a una maggiore capacità di raccogliere informazioni, ha portato a un miglioramento del sistema in generale. “Negli ultimi due mesi abbiamo esaminato facilmente 30 versioni”, dice Cavuto.

Il team progetta tutte le parti in SOLIDWORKS e utilizza il software 3D Sprint^® per configurare ogni build. 3D Sprint è un software all-in-one di 3D Systems che consente di preparare, ottimizzare e gestire il processo di stampa 3D e ha aiutato il team di ricerca a individuare e risolvere i problemi imprevisti. “A volte ci capita di imbatterci in un errore STL che 3D Sprint è in grado di risolvere per noi nella scheda di preparazione”, dice Cavuto. 

Cavuto, che in passato ha lavorato con vari tipi di stampanti 3D, afferma che Figure 4 è diversa poiché presenta meno ostacoli in termini di tempo, costi e qualità di stampa. Con le altre stampanti era costretto a valutare se una stampa fosse utile sia in termini di tempo che di costo del materiale, mentre Figure 4 ha eliminato questo tipo di difficoltà. “Stampo una parte e vedo se funziona. In caso contrario, modifico il progetto e ristampo tutto poche ore dopo”, dice Cavuto. “È solo grazie alla velocità della stampante che sono in grado di eseguire iterazioni ultra rapide”.

Nonostante le difficoltà legate all’esigenza di opzioni di test rapide, la velocità non era il fattore più importante per il team di ricerca. Poiché questa applicazione entra in contatto diretto con il DNA, è realizzabile solo con alcuni materiali biocompatibili.

Il team dell’Imperial College utilizza Figure 4^® MED-AMB 10, un materiale ambrato trasparente in grado di soddisfare gli standard ISO 10993-5 e -10 per la biocompatibilità (citotossicità, sensibilizzazione e irritazione cutanea)* e sterilizzabile in autoclave. Questo materiale viene utilizzato per i collettori microfluidici traslucidi. “Figure 4 MED-AMB 10 ha dimostrato una notevole biocompatibilità per le nostre reazioni PCR”, racconta Cavuto. “Molti dei materiali che abbiamo provato in passato le inibivano, ma Figure 4 MED-AMB 10 ha mostrato una bassa interazione con le nostre reazioni”. Questo è un aspetto cruciale per l’intero progetto, in quanto qualsiasi interferenza da parte dei materiali di produzione potrebbe ritardare o impedire la reazione prevista.

Oltre a impiegare Figure 4 MED-AMB 10 per la stampa dei componenti microfluidici per Lacewing, il team utilizza Figure 4^® PRO-BLK-10, un materiale rigido, resistente al calore e ad alte prestazioni, per produrre l’alloggiamento del dispositivo e Figure 4^® RUBBER-65A BLK, un materiale elastomerico appena lanciato sul mercato, per le guarnizioni del dispositivo.  Una parte di Lacewing è persino realizzata in Figure 4^® FLEX-BLK 20, un materiale dall’aspetto simile al polipropilene.  Oltre ai componenti elettronici e ad alcuni elementi hardware, attualmente il dispositivo è quasi interamente prodotto con il sistema Figure 4.  

Affinché le cartucce di Lacewing garantiscano la massima funzionalità, è fondamentale disporre di una superficie pulita e liscia. Per questo motivo, il team di ricerca ha rinunciato alle capacità di nidificazione o impilamento di Figure 4 per stampare le cartucce in singoli strati. Dal momento che il progetto è ancora in fase di progettazione, il team non ha ancora caricato completamente la piastra di costruzione, ma prevede un volume di costruzione massimo di circa trenta cartucce microfluidiche alla volta.

Considerata la sensibilità dell’applicazione, la post-elaborazione è un aspetto critico. Una volta stampate, le parti vengono lavate in un bagno IPA, indurite, sabbiate e lavate di nuovo per garantire che siano tutte prive di residui o particelle di sabbiatura. “L’obiettivo è evitare qualsiasi tipo di contaminazione”, spiega Cavuto. “Garantire che le parti siano pulite e sterilizzate è essenziale per ottenere una reazione efficace e una diagnosi accurata”.

Cavuto stima che, complessivamente, la post-elaborazione richiede meno di venti minuti e che per molte parti è sufficiente eseguire il processo una sola volta.

“Figure 4 ha cambiato ciò che posso stampare o ciò che penso di avere la capacità di creare”, afferma Cavuto. “Credo di aver utilizzato ogni tipo di stampante 3D che si possa immaginare... E in termini di risoluzione, velocità, qualità della superficie, gamma di materiali e biocompatibilità, non c’è nulla che sia paragonabile a Figure 4”.

Il team di ricerca dell’Imperial College intende convalidare il test per il COVID-19 presso il Servizio Sanitario Nazionale del Regno Unito (NHS) il prima possibile, aprendo la strada alla produzione in scala nei prossimi sei mesi. Per una panoramica approfondita di Lacewing, consulta questa pagina informativa curata dal team di ricerca dell’Imperial College.

Per ulteriori informazioni su Figure 4 e sui materiali biocompatibili e ad altre prestazioni di 3D Systems, scarica la nostra guida ai materiali.

* La biocompatibilità si basa su test effettuati da 3D Systems su una singola geometria e campione impostato secondo ISO 10993-5 e -10. Gli utenti devono confermare l'idoneità all'uso e la biocompatibilità per le loro applicazioni.