과제
휴대 가능한 고속 진단 테스트를 위해 생체에 적합하고 기능적인 마이크로플루이딕스 (microfluidics)구성요소를 개발합니다.
해결 방안
3D Systems의 Figure 4 Standalone과 생산 등급의 생체적합성 소재
결과
- 생체에 적합한 마이크로플루이딕스 (microfluidics) 매니폴드의 고속 반복
- 생체적합성 소재는 필요한 생화학 반응을 억제하지 않음
- 효율성 개선을 위해 배치 후처리
- 3D 프린트의 속도와 정확성으로 더 많은 실험적인 설계 가능
전 세계적으로 놀랍도록 급속한 COVID-19의 전파로 인해 쉽게 사용할 수 있고 신속한 질병 진단의 중요성이 강조되었습니다. 질병 테스트 역량을 통해 추가 확산을 막는 억제 능력을 개선할 수 있을 뿐 아니라 전염병학자가 더 많은 정보를 수집해 보이지 않는 위협을 더 잘 파악할 수 있습니다. 전파 수단의 공개부터 감염율까지 이제 전염병 테스트의 중요성이 전 세계적으로 인정되고 있습니다.
Pantelis Georgiou 박사가 이끄는 Imperial College London의 연구팀은 Lacewing이라는 병원체 감지를 위한 프로젝트를 통해 이 문제를 정면으로 다루고 있습니다. 클라우드 서버와 동기화된 스마트폰 앱에서 20분 내로 결과를 제공하는 Lacewing은 SARD-CoV-2-RNA를 포함하여 휴대할 수 있는 질병 테스트가 가능하도록 하고 지오태깅을 통해 질병 진행 단계의 추적을 자동화합니다. 분자생물학과 최첨단 기술을 결합해 진단의 세계에서 접근과 정보 격차를 메우겠다는 '첨단 랩 (lab-on-a-chip)' 플랫폼입니다. 다른 진단 기술에는 고가의 대형 광학 장비가 필요한 데 반해 전기 감지 방법과 소형 Lacewing은 접근 방식의 진정한 혁신입니다.
Lacewing의 기술 중 핵심은 3D Systems Figure 4® Standalone 3D 프린터와 생체적합성 생산 등급 소재입니다. Imperial College 박사 과정 학생이자 연구 조교인 Matthew Cavuto에 따르면 마이크로플루이딕스 (microfluidics) 및 기능성 구성요소의 원형 제작과 생산에 모두 사용되는 핵심 Lacewing 구성요소는 Figure 4의 기능에 기반하여 설계되었다고 합니다. "마이크로플루이딕스 (microfluidics)는 까다로운 문제로, 고가의 느리고 노동 집약적인 무균실 프로세스를 통해 전통적으로 제작되었습니다." "Figure 4를 통해 칩의 여러 감지 영역으로 샘플 유체를 전송하는 복잡한 내부 3D 유체 채널이 있는 부품을 빠르게 프린트할 수 있어서 마이크로플루이딕스 (microfluidics) 생산 역량이 크게 개선됩니다."
이 프로젝트에서 설계 요소가 중요한 것만큼 고도로 정교한 솔루션의 한 조각일 뿐입니다. 3D Systems의 Figure 4로 가능해진 부품 복잡성 및 세부구조 충실도 외에도 이 3D 프린팅 솔루션으로 연구팀은 프린트 속도, 프린트 품질, 생체적합성 소재 옵션 면에서 도움을 받았습니다.
COVID-19 테스트 요구에 부응하는 빠른 반복
Lacewing 플랫폼은 현재 2년이 조금 넘는 기간 동안 개발되고 있으며 환자 샘플 내 병원체의 DNA나 RNA를 식별하여 작동하는 분자 진단 테스트입니다. 이 유형의 테스트를 통해 특정 질병(뎅기열, 말라리아, 결핵, COVID-19 등)에 감염되었는지 여부뿐만 아니라 증상의 심각도를 더 잘 알 수 있는 감염의 정도까지 판단할 수 있습니다.
COVID-19 발발 이전에 이 테스트의 원동력은 세계 벽지에서 휴대할 수 있는 테스트를 가능하게 하는 것이었습니다. 스마트폰 시대에 휴대성은 당연한 것으로 생각되는 경우가 많지만 분자 진단에는 전통적으로 고가의 대형 실험실 장비가 필요했습니다. Lacewing은 마이크로칩을 사용하여 이전의 광학 기법을 전기 기법으로 대체하고 Figure 4 Standalone과 생체적합성 소재를 사용하여 빠르게 원형을 제작하고 반복적으로 생산되었습니다. 각 Lacewing 마이크로플루이딕스 (microfluidics) 카트리지는 대략 30mm x 6mm x 5mm로, 10마이크론 레이어로 프린트되었습니다.
연구팀이 세계적인 COVID-19 테스트 요구에 부응하여 테스트를 조정하면서 거의 매일 새로운 설계를 프린트하기 시작했습니다. Cavuto는 이 상황에서 장비 속도가 가장 큰 이점이었다고 했습니다. "어떤 때는 Figure 4로 특정 구성요소의 세 가지 버전을 하루에 프린트하고 테스트할 수 있었습니다." 설계를 빠르게 반복하는 이 능력은 새로운 것을 시도하는 어려움을 제거했고 그 결과로 발생한 실험과 향상된 정보 수집으로 인해 시스템이 전반적으로 개선되었습니다. "지난 2달 동안 30가지 버전을 수월하게 시도했습니다." Cavuto의 말입니다.
팀은 SOLIDWORKS로 부품을 모두 설계하고 3D Sprint® 소프트웨어를 사용하여 각 빌드를 설정합니다. 3D Sprint는 3D Systems의 올인원 소프트웨어로, 3D 프린트 공정을 준비, 최적화 및 관리하며 팀에서 예상치 못한 문제를 발견하고 해결하는 데 유용했습니다. "가끔 발생하는 STL 오류는 3D Sprint의 준비 탭에서 해결할 수 있습니다."
과거 다양하게 많은 3D 프린터를 사용한 Cavuto는 프린트 시간, 비용, 품질 면에서 장애가 적어서 Figure 4가 다르다고 말합니다. 다른 프린터의 경우 Cavuto는 시간과 소재 비용 면에서 모두 프린트 가치가 있는지 의문이 들었지만 Figure 4를 사용하면서 그런 의문이 사라졌습니다. "부품을 프린트하고 잘 작동하는지 확인합니다. 잘 작동하지 않으면 재설계해서 단 몇 시간 만에 다시 프린트합니다." Cavuto의 설명입니다. "프린터의 속도가 워낙 빨라서 아주 신속하게 반복할 수 있습니다."
진정한 생체적합성 소재는 화학 반응을 억제하지 않습니다.
고속 테스트 옵션을 위한 시간 압박에도 불구하고 속도는 연구팀에 가장 중요한 요소가 아니었습니다. 이 응용 분야는 DNA와 직접 접촉하기 때문에 특정 생체적합성 소재로만 가능합니다.
Imperial College팀은 Figure 4® MED-AMB 10, 즉 생체적합성에 관한 ISO 10993-5 및 10 표준(세포 독성, 민감도, 자극)*을 충족하는 투명 황색 소재를 사용하며 오토클레이브를 통해 살균 가능합니다. 이 소재는 반투명 마이크로플루이딕스 (microfluidics) 매니폴드에 사용합니다. "Figure 4 MED-AMB 10은 PCR 반응에서 인상적인 생체적합성을 보여주었습니다." Cavuto의 설명입니다. "과거에 사용했던 많은 소재는 이 반응을 억제했지만 Figure 4 MED-AMB 10은 화학 반응과 상호작용이 적었습니다." 이 사실은 프로젝트 전체에 매우 중요합니다. 생산 소재에 의한 간섭으로 인해 의도한 반응이 지연되거나 발생하지 않을 수 있기 때문입니다.
Figure 4의 다양한 소재 포트폴리오 사용
팀에서는 Lacewing의 미소유체 구성요소를 프린트하는 데 Figure 4 MED-AMB 10을 사용할 뿐만 아니라 장치 인클로저에는 생산 등급의 경질, 내열성 소재인 Figure 4® PRO-BLK-10을, 장치 전체의 개스킷에는 새로 출시된 탄성 소재 Figure 4® RUBBER-65A BLK를 사용합니다. Lacewing의 한 부분은 모양과 감촉이 생산 폴리프로필렌과 같은 소재인 Figure 4® FLEX-BLK 20으로도 제작됩니다. 전자 장치와 일부 하드웨어를 제외하고 현재 거의 장치 전체를 Figure 4 시스템으로 생산합니다.
20분 이내로 세척 및 후처리 완료
깨끗하고 매끄러운 표면은 Lacewing 카트리지의 최종 성능에 매우 중요합니다. 이런 이유로 연구팀은 단일 레이어로 카트리지를 프린트하기 위해 Figure 4의 쌓기 또는 겹치기 기능을 사용하지 않습니다. 프로젝트가 여전히 설계 단계에 있으므로 팀에서는 아직 제작판을 완전히 로드하지 않았지만 한 번에 약 30개의 미소유체 카트리지를 최대 제작 용량으로 예상합니다.
응용 분야의 민감도를 감안하면 후처리가 중요합니다. 프린트되고 나면 부품은 IPA 배스에서 세척하고 경화 및 연마 처리 후 다시 세척하여 부품에 잔여물이나 연마 입자가 완전히 제거되도록 합니다. Cavuto는 "어떤 경우에도 오염이 되지 않는 것이 가장 중요합니다"라고 말합니다. "깨끗하고 멸균 처리된 부품을 유지하는 것이 성공적인 반응과 정확한 진단에 중요합니다."
전체적으로 Cavuto는 후처리에 걸리는 시간이 20분 이내이고 대부분의 부품은 한 번에 공정을 마칠 수 있다고 예상합니다.
개발 및 혁신을 위한 새로운 기능
"Figure 4를 통해 프린트할 수 있는 것이나 만들 수 있는 것이 늘었습니다." "해상도, 속도, 표면 품질, 소재 범위, 생체적합성 면에서 Figure 4와 견줄 만한 것은 없습니다. 이제까지 거의 모든 유형의 3D 프린터를 사용해 봤습니다."
Imperial College 연구팀은 COVID-19 테스트를 조만간 영국국립보건서비스(NHS)에서 검증 받아 향후 6개월 내로 생산 확대에 나설 계획입니다. Lacewing의 작동 방식을 자세히 확인하려면 Imperial College 연구팀의 이 정보 페이지를 살펴보십시오.
3D Systems Figure 4와 생체에 적합한 생산 등급 소재를 자세히 알아보려면 소재 백서를 다운로드하십시오.
* 생체 적합성은 ISO 10993-5 및 -10에 따라 설정된 단일 기하형상 및 샘플에 대해 3D Systems에서 실시한 테스트를 기준으로 합니다. 사용자는 사용 적합성 및 응용 분야에 대한 생체 적합성을 확인해야 합니다.
