ルーヴェン・カトリック大学は3Dプリント技術を使用して、迅速な診断のためのマイクロ流体デバイスを開発しています。

この投稿はLittle Soft Bearによって2021-5-12 11:00に最後に編集されました。

出典: 江蘇レーザー連盟

COVID-19の流行により、迅速な診断の重要性が皆に認識されました。ベルギーでは3月末から薬局での自己検査が許可されている。このセルフテストは、いわゆるラテラルフローテストです。ベルギーのルーヴェン・カトリック大学の研究者らは、ラテラルフロー検査の可能性を広げる3Dプリント技術を開発した。これらの検査は、従来の妊娠検査やCOVID-19の自己検査の形で広く流通しています。新しい印刷技術により、高速かつ安価で使いやすい高度な診断テストが可能になる可能性があります。

患者の現場で実行される迅速な診断テスト、いわゆる「ポイントオブケア」（POC）テストは、設備の整った分析ラボが利用できない場合に不可欠です。先進国と発展途上国の両方において、POC 診断は治療可能な病気を早期に診断し、深刻な健康危機に対応することで、毎年何百万人もの命を救うことができます。特に発展途上国では、診断は低コストで使い捨てであり、ユーザーの関与と外部機器への依存を最小限に抑える必要があります。マイクロ流体工学は長い間、実験室ベースの診断プロトコルをチップ上に縮小するという可能性を秘めてきました。この分野での成功にもかかわらず、POC の使用における大きな制限は、マイクロチップ内の流体の流れを作動および制御するために必要な補助装置が依然として大きく、外部電源に依存していることです。

毛細管ウィッキングによる液体供給により、外部ポンプが不要になります。家庭用妊娠検査に使用されるラテラルフローアッセイ（LFA）は、この原理を利用して、液体サンプルを多孔質の紙のような膜に通します。先進国と資源の乏しい国の両方で成功を収めているにもかかわらず、多くの LFA は本質的に定性的なままであり、1D 形式は時間指定の手順を必要とするプロトコル (増幅ベースの酵素結合免疫吸着測定法 (ELISA) など) の実装には適していないため、定量化やより高い感度を必要とする多くのアプリケーションには適していません。このようなシーケンスを毛細管現象のみで実現するために、疎水性バリアを使用してパターン化または形状にカットされた積層多孔質膜（通常は紙）内の流路を定義するいくつかのアプローチが提案されています。これらのマイクロ流体紙ベースの分析デバイス (μPAD) は確かに低コストですが、流体輸送特性を損なうことなく圧縮可能な多孔質層を確実に積層することは依然として困難です。さらに、他の個別のコンポーネント（ウィッキングパッド、両面テープ、セルロースパウダー、クランプなど）と組み合わせて再現性のある組み立てを行うことは容易ではありません。結果として生じる層間接触の問題により、デバイスの故障が発生する可能性があります (たとえば、7 層アセンブリの場合は約 30%)。毛細管現象によって駆動されるオープンチャネルマイクロ流体（毛細管ループとも呼ばれる）は、紙ベースのデバイスの代替手段です。しかし、これらの流体チップ内の液体を活性化するために必要な毛細管圧を達成するには、フォトリソグラフィーによってトップダウン方式で小さな特徴（≤10 μm）を製造する必要があります。この製造方法では、結果として得られるデバイスのコストが増加し、当然ながら製造装置のコストも増加します。 3D プリンティング、特にステレオリソグラフィーは、毛細管回路の低コストの製造ルートと装置を提供することが期待されています。しかし、現在の解像度はフォトリソグラフィーよりも低く、完全な 3D プリントされた毛細管現象はまだ実証されていません。

▲ 3D プリントされたマイクロ流体デバイスの概念図ここで、ベルギーのルーヴェン・カトリック大学の研究者は、モノリシックなポンプフリーのマイクロ流体デバイスを製造するための新しいアプローチとして 3D プリントを使用しました。現在まで、3D プリンティングは、ポンプ駆動型マイクロ流体工学を含め、形状 (多くの場合は複雑) によって機能が決まるオブジェクトを製造するために主に使用されてきました。通常、印刷された体積に多孔性が生じないように注意し、その特性が従来のエンジニアリング材料の特性と同等であることを保証します。対照的に、この研究で使用された 3D プリントされた毛細管駆動型マイクロ流体デバイスは、非常に多孔質であり、その機能は、細孔壁の表面化学の正確な空間制御によってのみ実現されます。

精密印刷研究者らは 3D プリンターを使用して、ラテラルフローテストの 3D バージョンを作成しました。基盤は多孔質ポリマーの小片であり、特定の特性を持つ「インク」が正確な位置に印刷されます。このようにして、チャネルと小さな「ロック」のネットワークが作成され、可動部品を必要とせずに、必要な場所とタイミングでトラフィックを通過させたりブロックしたりできるようになります。テスト中、サンプルはさまざまなテスト手順に自動的に誘導されます。この方法では、複雑なプロトコルにも従うことができます。

図 1. 統合型毛細管駆動マイクロ流体デバイスの 3D プリント。 ▲図解：（A）バインダージェット3Dプリントは、バインダー液を使用して建材の層を交互に広げ、オブジェクトのスライスをインクジェットで印刷することによって実行されます。疎水性バインダー (灰色) は毛細管流路 (ピンク) を描写するために使用され、他の色は複数のインクが使用される可能性があることを示しています。 (B) 切断された多孔質 3D プリント部品内に結合した PMMA 粒子の走査型電子顕微鏡画像。円形のマーク（矢印で示される）は、粒子を結合するネック部分の切れ目の位置を示しています。 (C) 3D プリント部品の親水性チャネルを通過する 5% CsI 水溶液の X 線 CT 可視化。 CsI は、水溶液 (薄い灰色) と PMMA 粒子間のコントラストを強調するために使用されます。 (D) 上部: 水溶液 (青) が毛細管流の特性を調べるために使用される装置を通過します。わかりやすくするために、3D プリントされた疎水性部品は透明で表示されています。下: 実験的な吸湿発散速度とボサンケットのフィット感。背景: 灰色の破線で示された時点で親水性チャネル (断面積 2 × 2 mm2) を通過する青色染料溶液の光学画像。 3D プリントされたデバイスの輪郭は青い破線で示されています。

研究者らは、免疫グロブリンE（IgE）の検出に使用されるELISA検査（酵素結合免疫吸着測定法）を再現する技術を評価した。アレルギーを診断するためにIgEを測定します。実験室では、異なるすすぎ液を使用し、酸性度を変えるなど、いくつかのステップでテストを行う必要があります。研究チームは、厚いクレジットカードほどの大きさの印刷された検査キットを使用して、プロトコル全体を実行することができました。
図 2. 3D チャネルネットワークとフロー制御要素。 ▲図: (A) バスケットチャネルを備えた 3D マイクロ流体ネットワーク。明瞭性のために、3D プリントされた疎水性部品は透明にされました。挿入図: さまざまな時点での光学画像。織り交ぜられた親水性チャネルを通るさまざまな色の溶液の浸透を示しています。チャネルの非表示部分は表示されません。時計のシンボルは参考用です。 (B) 方向の流れに基づいてバルブをトリガーします。上: 活性化シーケンスの概略図。青い液体は親水性チャネルに浸透し、疎水性バリアで止まります。黄色の液体が疎水性バリアを橋渡しできる界面活性剤 (緑) を溶解した後にのみ、吸い上げが継続しました。時計のシンボルは参考用です。中央: 活性化のさまざまな段階での光学画像。界面活性剤の位置は緑の破線円で示されています。下部: 疎水性ギャップを埋める前、埋めている最中、埋めた後の X 線 CT データに基づく活性化プロセスの詳細図。

複雑さはコストではない
3D プリントの優れた点は、テストの設計を他のプロトコルに合わせてすばやく調整できることです。たとえば、がんバイオマーカーを検出できます。 3D プリンターの場合、チャネルネットワークの複雑さは関係ありません。 3D プリント技術は手頃な価格で拡張可能です。パラ博士は、彼らの研究室では、Ig E プロトタイプ検査の製造に約 1.50 ドルかかるが、規模を拡大すれば 1 ドル未満になるだろうと語った。この技術は、先進国だけでなく、医療インフラへのアクセスが難しく、手頃な価格の診断検査が強く求められている国々でも、より安価で迅速な診断の機会を提供します。

図3. 3Dプリンター。（A）印刷方向の模式図。（B）市販のサーマルプリントヘッドHP11。 (C) 新しいプリントヘッドを改造し、液体ノズルを取り外します。 (D) 注射器でインクを慎重に抜き取り、推奨手順に従ってプリントヘッドをクリーニングします。 (E) HP11 プリントヘッドにはカスタムアルミカバーが接着されています。研究チームは現在、独自の 3D プリンターを設計しており、これは現在の研究で使用されている市販モデルよりも柔軟性の高いものになります。最適化されたプリンターは移動式のミニ工場のように機能し、診断情報を迅速に生成します。さまざまなデザインファイルとインクをロードするだけで、さまざまな種類のテストを作成できます。

出典: Clement Achille 他「診断用モノリシック毛細管駆動型マイクロ流体デバイスの 3D プリント」、Advanced Materials (2021)。DOI: 10.1002/adma.202008712

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