Desafio
Desenvolva componentes microfluídicos biocompatíveis e funcionais para testes de diagnóstico rápidos e portáteis.
Solução
Figure 4 Standalone da 3D Systems e materiais biocompatíveis de grau de produção.
Resultados
- Interação rápida de coletores microfluídicos biocompatíveis;
- Os materiais biocompatíveis não inibem as reações bioquímicas necessárias;
- Pós-processamento em lote para aumentar a eficiência;
- A velocidade e a precisão das impressões 3D estimulam uma maior experimentação em designs.
A súbita e preocupante proliferação do COVID-19 destacou a importância da detecção rápida e acessível de doenças. A capacidade de testar a doença não só possibilita uma melhor contenção para evitar a disseminação, mas também permite que os epidemiologistas reúnam mais informações para entender melhor essa ameaça que, de outro modo, seria invisível e misteriosa. Da revelação dos meios de transmissão às taxas de infecção, a importância dos testes de doenças infecciosas tem sido reconhecida no mundo todo.
Uma equipe de pesquisadores do Imperial College London, liderada pelo Dr. Pantelis Georgiou, está enfrentando esse problema de frente com um projeto de detecção de patógenos chamado Lacewing. Com resultados em até 20 minutos, através de um aplicativo de smartphone sincronizado com um servidor de nuvem, a Lacewing torna portáteis os testes de doenças, incluindo SARD-CoV-2-RNA, e automatiza o rastreamento da progressão da doença por meio de geotagging. É uma plataforma sofisticada “lab-on-a-chip” que promete preencher as lacunas de acesso e informação do mundo dos diagnósticos, combinando biologia molecular e tecnologia de ponta. Enquanto outras tecnologias de diagnóstico exigem equipamentos ópticos grandes e caros, o método de detecção elétrica e o tamanho pequeno da Lacewing é uma verdadeira evolução na abordagem.
Entre as principais tecnologias por trás da Lacewing estão a impressora 3D Figure 4® Standalone da 3D Systems e os materiais biocompatíveis de grau de produção. Usada para prototipagem e produção de componentes funcionais e de microfluídica, o aluno de doutorado e assistente de pesquisa do Imperial College, Matthew Cavuto, diz que os principais componentes da Lacewing foram projetados com base na capacidade que ele sabia que teria com a Figure 4. “A microfluídica é uma coisa complicada e a fabricação tem sido tradicionalmente feita por meio de processos lentos, caros e trabalhosos em salas limpas”, afirma Cavuto. “Com a Figure 4, agora somos capazes de imprimir em 3D rapidamente peças com canais fluídicos internos complexos, a fim de transportar fluido de amostra para diferentes áreas de detecção no chip, melhorando consideravelmente nossa capacidade de produção microfluídica.”
Por mais importante que o elemento de design seja para este projeto, ele é apenas um fragmento de uma solução altamente sofisticada. Além da complexidade da peça e da fidelidade de detalhes possibilitados pela Figure 4 da 3D Systems, essa solução de impressão 3D ajudou a equipe de pesquisa com velocidade de impressão, qualidade de impressão e opções de materiais biocompatíveis.
Iterações rápidas para responder à necessidade de testes do COVID-19
A plataforma Lacewing está em desenvolvimento há pouco mais de dois anos e trata-se de um teste de diagnóstico molecular que funciona identificando o DNA ou RNA de um patógeno na amostra do paciente. Este tipo de teste permite determinar não só se alguém está infectado com uma determinada doença (dengue, malária, tuberculose, COVID-19, etc.), mas também o grau de infecção, o que fornece mais informações sobre a gravidade dos sintomas.
Antes do surto de COVID-19, a motivação desse teste era possibilitar testes portáteis em áreas remotas do mundo. Embora a portabilidade seja muitas vezes subestimada na era dos smartphones, os diagnósticos moleculares têm exigido, tradicionalmente, equipamentos de laboratórios grandes e caros. A Lacewing substituiu a técnica óptica anterior por uma elétrica com uso de microchips, e foi rapidamente prototipada, interada e produzida usando a Figure 4 Standalone e materiais biocompatíveis. Cada cartucho microfluídico da Lacewing tem cerca de 30 mm x 6 mm x 5 mm impressos em camadas de 10 mícrons.
À medida que começou a adaptar o teste para responder às necessidades globais de teste do COVID-19, a equipe de pesquisa começou a imprimir novos projetos quase diariamente. Para isso, Cavuto disse que a velocidade da máquina era um grande benefício. “Cheguei a conseguir imprimir e testar três versões de um componente específico em um único dia com a Figure 4”, diz ele. Essa capacidade de interar projetos rapidamente removeu o receio de tentar algo novo, e a experimentação resultante e o aumento da coleta de informações, levaram a melhorias no sistema geral. “Nós passamos facilmente por 30 versões nos últimos 2 meses”, diz Cavuto.
A equipe projeta todas as suas peças no SOLIDWORKS e usa o software 3D Sprint® para configurar cada construção. O 3D Sprint é um software multifuncional da 3D Systems para preparação, otimização e gerenciamento do processo de impressão 3D, e tem sido útil para encontrar e resolver problemas inesperados da equipe de pesquisa. “Esporadicamente ocorre algum erro STL que o 3D Sprint consegue resolver para nós na guia "preparar”, afirma Cavuto.
Tendo trabalhado com várias impressoras 3D distintas no passado, Cavuto diz que a Figure 4 é diferente por ter menos barreiras para impressão em termos de tempo, custo e qualidade. Com outras impressoras, ele consideraria a impressão questionável em termos de tempo e custo de material, enquanto a Figure 4 elimina esse atrito. “Eu imprimo uma peça e vejo se funciona. Caso contrário, refaço o projeto e imprimo novamente horas depois”, diz Cavuto. “Eu consigo iterar extremamente rápido apenas por conta da velocidade da impressora.”
Os materiais verdadeiramente biocompatíveis não inibem as reações químicas
Apesar da pressão do tempo no que se refere às opções de testes rápidos, a velocidade não foi o fator mais importante para a equipe de pesquisa. Como essa aplicação entra em contato direto com o DNA, ela só é possível com certos materiais biocompatíveis.
A equipe do Imperial College está usando o Figure 4® MED-AMB 10, um material âmbar transparente capaz de atender às normas ISO 10993-5 e -10 em termos de biocompatibilidade (citotoxicidade, sensibilidade e irritação)*, que é esterilizável por autoclave. Esse material é usado para os coletores microfluídicos translúcidos. “O Figure 4 MED-AMB 10 mostrou uma biocompatibilidade impressionante com as nossas reações PCR”, afirma Cavuto. “Muitos materiais que tentamos no passado os inibiram, mas o Figure 4 MED-AMB 10 mostrou pouca interação com a química da reação.” Isso é fundamental para todo o projeto, pois qualquer interferência dos materiais de produção pode atrasar ou impedir que a reação pretendida aconteça.
Uso do portfólio diversificado de materiais da Figure 4
A equipe não está usando apenas o Figure 4 MED-AMB 10 para imprimir os componentes microfluídicos da Lacewing, ela também está usando o Figure 4® PRO-BLK-10, um material de grau de produção, rígido, resistente ao calor, para o compartimento do dispositivo, e o Figure 4® RUBBER-65A BLK, um material elastomérico recém-lançado. Uma parte da Lacewing é feita com o uso do Figure 4® FLEX-BLK 20, um material com aparência da produção de polipropileno. Além da parte eletrônica e de hardware, atualmente quase todo o dispositivo é produzido com o sistema Figure 4.
Totalmente limpo e pós-processado em menos de 20 minutos
Uma superfície limpa e lisa é fundamental para a funcionalidade final dos cartuchos Lacewing. Por esse motivo, a equipe de pesquisa está renunciando a qualquer capacidade de aninhamento ou empilhamento da Figure 4 na impressão dos cartuchos em camadas únicas. Como o projeto ainda está na fase de design, a equipe ainda não carregou totalmente a placa de construção, mas estima uma construção máxima de aproximadamente trinta cartuchos microfluídicos por vez.
Dada a sensibilidade da aplicação, o pós-processamento é fundamental. Uma vez impressas, as peças são lavadas em banho de IPA, curadas, lixadas e lavadas novamente para garantir que estejam todas livres de resíduos ou partículas de lixamento. “Queremos evitar a contaminação a todo custo”, diz Cavuto. “Garantir que as peças estejam limpas e esterilizadas é importante para uma reação bem-sucedida e um diagnóstico preciso.”
No total, Cavuto estima que o pós-processamento leve menos de vinte minutos, e várias peças podem passar pelo processo ao mesmo tempo.
Novas capacidades de desenvolvimento e inovação
“A Figure 4 mudou o que posso imprimir ou o que acredito ter a capacidade de criar”, diz Cavuto. “Em termos de resolução, velocidade, qualidade de superfície, gama de materiais e biocompatibilidade, não há nada que se compare à Figure 4, e provavelmente já usei todos os tipos de impressora 3D que você possa imaginar.”
A equipe de pesquisa do Imperial College planeja que o teste para COVID-19 seja validado em breve pelo Serviço Nacional de Saúde do Reino Unido (NHS), abrindo caminho para a produção em escala nos próximos seis meses. Para uma visão completa de como a Lacewing funciona, explore esta página de informações da equipe de pesquisa do Imperial College.
Para saber mais sobre a Figure 4 e os materiais biocompatíveis de grau de produção da 3D Systems, baixe o nosso guia de materiais.
* A biocompatibilidade é baseada em testes realizados pela 3D Systems em uma única geometria e um conjunto de amostras de acordo com as normas ISO 10993-5 e -10. Os usuários devem confirmar a adequação ao uso e a biocompatibilidade das aplicações.
