Dispositivo de diagnóstico rápido desarrollado con Figure 4 Standalone

El repentino y alarmante aumento del COVID-19 a nivel mundial ha destacado la importancia de una detección accesible y rápida de la enfermedad. La capacidad de realizar pruebas para detectar la enfermedad no solo permite una mejor contención para evitar que se siga propagando, sino que también permite a los epidemiólogos reunir más información para comprender mejor una amenaza que, sin este método, sería invisible y misteriosa. Desde la revelación de los medios de transmisión hasta las tasas de infección, la importancia de realizar las pruebas para detectar enfermedades infecciosas se ha hecho sentir en todo el mundo.

Un equipo de investigadores del Imperial College London, dirigido por el Dr. Pantelis Georgiou, está abordando este problema de forma directa con un proyecto llamado Lacewing para detectar patógenos. Lacewing, que brinda resultados en 20 minutos desde una aplicación para teléfono inteligente sincronizada con un servidor en la nube, permite que las pruebas para detectar enfermedades sean portátiles, incluida la del SARD-CoV-2-RNA, y automatiza el seguimiento del avance de la enfermedad mediante el geoetiquetado. Se trata de una plataforma sofisticada "lab-on-a-chip" que promete llenar los vacíos de acceso e información que existen en el mundo de los diagnósticos mediante la combinación de la biología molecular y la tecnología de vanguardia. Mientras que otras tecnologías de diagnóstico requieren equipos ópticos grandes y costosos, el método de detección eléctrica y de dimensiones pequeñas de Lacewing es una verdadera evolución en cuanto al enfoque.

Las tecnologías clave detrás de Lacewing son la impresora 3D Figure 4^® Standalone de 3D Systems y los materiales de nivel de producción biocompatibles. Matthew Cavuto, estudiante de doctorado del Imperial College y asistente de investigación, dice que los componentes clave de Lacewing se diseñaron sobre la base de las capacidades que él sabía que Figure 4 le otorgaban. Estos componentes se utilizaron para la creación de prototipos y la producción de componentes funcionales y microfluidos. "Los microfluidos son algo complicado, y tradicionalmente la fabricación se ha hecho utilizando procesos lentos, costosos y de trabajo intensivo en ambientes estériles", explica Cavuto. "Con Figure 4, ahora podemos imprimir rápidamente piezas con canales de fluidos internos y complejos en 3D para transportar el fluido de la muestra a diferentes áreas de detección en el chip. Esto mejora de manera considerable nuestras capacidades de producción de microfluidos".

Por muy fundamental que sea el elemento de diseño para este proyecto, es solo una pieza de una solución altamente sofisticada. Más allá de la complejidad de las piezas y la fidelidad en los detalles que permite Figure 4 de 3D Systems, esta solución de impresión en 3D ha ayudado al equipo de investigación a través de la velocidad y calidad de impresión y de las opciones de material biocompatible.

La plataforma Lacewing ha estado en desarrollo desde hace poco más de dos años y es una prueba de diagnóstico molecular que identifica el ADN o ARN de un patógeno dentro de la muestra de un paciente. Este tipo de prueba permite determinar no solo si alguien está infectado con una determinada enfermedad (dengue, malaria, tuberculosis, COVID-19, etc.), sino también el grado, lo que proporciona una mayor comprensión de la gravedad de los síntomas.

Antes del brote de COVID-19, el estímulo para esta prueba fue permitir que fuera portátil para llegar a áreas remotas del mundo. Aunque la portabilidad suele darse por sentada en la era de los teléfonos inteligentes, los diagnósticos moleculares han requerido tradicionalmente equipos de laboratorio grandes y costosos. Lacewing ha reemplazado la técnica óptica anterior con una eléctrica utilizando microchips, y rápidamente se han creado prototipos, se ha repetido y producido usando los materiales biocompatibles de Figure 4 Standalone. Cada cartucho de microfluidos de Lacewing mide aproximadamente 30 mm x 6 mm x 5 mm, impreso en capas de 10 micrones.

A medida que el equipo de investigación comenzó a adaptar la prueba para responder a las necesidades de pruebas globales de COVID-19, comenzó a imprimir nuevos diseños casi a diario. Con relación a esto, Cavuto dijo que la velocidad de la máquina era un gran beneficio. "En un momento, fui capaz de imprimir y probar tres versiones de un componente particular en un solo día con la Figure 4", sostiene. Esta capacidad de repetir rápidamente los diseños ha eliminado la discusión acerca de probar algo nuevo, y tanto la experimentación resultante como la mayor recopilación de información ha generado mejoras en el sistema general. "Hemos pasado fácilmente por 30 versiones en los últimos 2 meses", describe Cavuto.

El equipo diseña todas sus piezas en SOLIDWORKS y utiliza el software 3D Sprint^® para configurar cada impresión. 3D Sprint es un software todo en uno de 3D Systems para preparar, optimizar y controlar el proceso de impresión en 3D, y le ha sido útil al equipo de investigación para encontrar y resolver problemas inesperados. "Cada tanto tendremos un error STL, y 3D Sprint podrá resolverlo por nosotros en la pestaña de preparación", dice Cavuto. 

Cavuto, quien ha trabajado con muchas impresoras 3D diferentes en el pasado, explica que la Figure 4 es diferente porque presenta menos obstáculos para la impresión en términos de tiempo, costo y calidad. Con otras impresoras, se planteaba si una impresión valía la pena en términos de tiempo y costo de material, mientras que la Figure 4 eliminó esta duda. "Imprimo una pieza y veo si funciona. Si no lo hace, rediseño e imprimo de nuevo solo unas horas después", dice Cavuto. "Puedo repetir superrápido gracias a la velocidad de la impresora".

A pesar de las presiones de tiempo para las opciones de pruebas rápidas, la velocidad no fue el factor más importante para el equipo de investigación. Debido a que esta aplicación entra en contacto directo con el ADN, solo se puede usar con ciertos materiales biocompatibles.

El equipo del Imperial College está utilizando Figure 4^® MED-AMB 10, un material ámbar transparente capaz de cumplir con los estándares ISO 10993-5 y -10 para biocompatibilidad (citotoxicidad, sensibilización e irritación)*, y esterilizable mediante autoclave. Este material se utiliza para los colectores de microfluidos translúcidos. "Figure 4 MED-AMB 10 ha demostrado una impresionante biocompatibilidad para nuestras reacciones PCR", dice Cavuto. "Muchos materiales que hemos probado en el pasado las han inhibido, pero Figure 4 MED-AMB 10 ha mostrado una interacción baja con nuestra química de la reacción". Esto es fundamental para todo el proyecto, ya que cualquier interferencia de los materiales de producción podría retrasar o impedir la reacción prevista.

El equipo no solo usa Figure 4 MED-AMB 10 para imprimir los componentes de microfluidos para Lacewing, sino que también usa Figure 4^® PRO-BLK-10, un material rígido de nivel de producción y resistente al calor, para la carcasa del dispositivo, y Figure 4^® RUBBER-65A BLK, un material elastomérico recién lanzado, para las juntas del dispositivo.  Incluso una parte de Lacewing está hecha con Figure 4^® FLEX-BLK 20, un material con el aspecto y el tacto del polipropileno de producción.  A excepción de la electrónica y parte del hardware, casi todo el dispositivo se produce actualmente mediante el sistema de Figure 4.  

Una superficie limpia y lisa es fundamental para la funcionalidad final de los cartuchos de Lacewing. Por esta razón, el equipo de investigación renuncia a toda función de incrustación o apilamiento de Figure 4 para imprimir los cartuchos en una capas únicas. Como el proyecto aún está en la fase de diseño, el equipo todavía no cargó completamente la placa de impresión, pero estima una impresión máxima de aproximadamente treinta cartuchos de microfluidos a la vez.

Dadas las sensibilidades de la aplicación, el postprocesamiento es fundamental. Una vez impresas, las piezas se lavan en un baño de IPA, se curan, se lijan y se vuelven a lavar para asegurarse de que todas las piezas estén libres de residuos o partículas de lijado. "Queremos evitar la contaminación a cualquier precio", dice Cavuto. "Asegurarse de que las piezas estén limpias y esterilizadas es importante para una reacción exitosa y un diagnóstico preciso".

En total, Cavuto estima que el postprocesamiento lleva menos de veinte minutos, y se pueden procesar muchas piezas a la vez.

"Figure 4 ha hecho cambios en cuanto a lo que puedo imprimir, o lo que creo que puedo crear", dice Cavuto. "En términos de resolución, velocidad, calidad de la superficie, rango de materiales y biocompatibilidad, no hay nada que se compare con Figure 4, y probablemente he usado todos los tipos de impresoras 3D que se puedan imaginar."

El equipo de investigación del Imperial College planea que el Servicio Nacional de Salud (NHS) del Reino Unido valide pronto la prueba de COVID-19; lo que preparará el camino para la producción a escala en los próximos seis meses. Para ver exactamente cómo funciona Lacewing, vea esta página de información del equipo de investigación del Imperial College.

Para obtener más información sobre Figure 4 de 3D Systems y los materiales biocompatibles de nivel de producción, descargue nuestra guía de materiales.

* La biocompatibilidad se basa en pruebas de 3D Systems en una sola geometría y conjunto de muestras de conformidad con ISO 10993-5 y -10. Los usuarios deben confirmar aptitud para el uso y biocompatibilidad para sus aplicaciones.