Cet article a été traduit automatiquement (article original en anglais ici).

Introduction

La montée soudaine et alarmante du COVID-19 dans le monde a mis en évidence l’importance d’une détection accessible et rapide des maladies. La possibilité de tester les maladies permet non seulement de mieux les contenir afin d’éviter qu’elles ne se propagent, mais aussi de permettre aux épidémiologistes de recueillir davantage d’informations pour mieux comprendre une menace autrement invisible et mystérieuse. Qu’il s’agisse de révéler les moyens de transmission ou les taux d’infection, l’importance critique des tests de dépistage des maladies infectieuses est désormais ressentie dans le monde entier.

Une équipe de chercheurs de l’Imperial College London, dirigée par le Dr Pantelis Georgiou, s’attaque de front à ce problème avec un projet appelé Lacewing pour la détection des agents pathogènes. Offrant des résultats en 20 minutes à partir d’une application pour smartphone synchronisée avec un serveur en nuage, Lacewing rend portable le dépistage des maladies, y compris l’ADRD-CoV-2-ARN, et automatise le suivi de la progression de la maladie grâce à la géolocalisation.

Il s’agit d’une plateforme sophistiquée de “laboratoire sur puce” qui promet de combler les lacunes en matière d’accès et d’information dans le monde du diagnostic en combinant la biologie moléculaire et une technologie de pointe. Alors que les autres technologies de diagnostic nécessitent des équipements optiques volumineux et coûteux, la méthode de détection électrique et la petite taille du Lacewing constituent une véritable évolution de l’approche.

L’imprimante 3D autonome Figure 4® de 3D Systems et les matériaux de production biocompatibles sont au cœur des technologies utilisées pour le Lacewing. Utilisée pour le prototypage et la production de composants microfluidiques et fonctionnels, Matthew Cavuto, doctorant et assistant de recherche à l’Imperial College, explique que les principaux composants de Lacewing ont été conçus sur la base des capacités qu’il savait avoir avec la Figure 4.

“La microfluidique est une chose délicate, et la fabrication se fait traditionnellement par des processus lents, coûteux et laborieux en salle blanche”, explique Matthew Cavuto. “Avec la Figure 4, nous sommes maintenant en mesure d’imprimer rapidement des pièces avec des canaux fluidiques 3D internes complexes pour transporter le fluide de l’échantillon vers différentes zones de détection sur la puce, améliorant ainsi considérablement nos capacités de production microfluidique.”

Matthew Cavuto, doctorant et assistant de recherche à l’Imperial College de Londres

Aussi essentiel que soit l’élément de conception dans ce projet, il n’est qu’une pièce d’une solution hautement sophistiquée. Au-delà de la complexité des pièces et de la fidélité des détails permises par la Figure 4 de 3D Systems, cette solution d’impression 3D a aidé l’équipe de recherche grâce à la vitesse et à la qualité d’impression, ainsi qu’aux options de matériaux biocompatibles.

Functional biocompatible microfluidic components for portable pathogen detection
Cartouche microfluidique imprimée en 3D avec la Figure 4 MED-AMB 10 dans un boîtier imprimé avec la Figure 4 PRO-BLK 10. Source : 3D Systems/Imperial College London

Des itérations rapides pour répondre au besoin de tests COVID-19

La plateforme Lacewing, en développement depuis un peu plus de deux ans, est un test de diagnostic moléculaire qui fonctionne en identifiant l’ADN ou l’ARN d’un agent pathogène dans un échantillon de patient. Ce type de test permet de déterminer non seulement si une personne est infectée par une certaine maladie (dengue, malaria, tuberculose, COVID-19, etc.), mais aussi à quel degré, ce qui permet de mieux comprendre la gravité des symptômes.

Avant l’apparition du COVID-19, l’idée de ce test était de permettre un test portable dans les régions reculées du monde. Bien que la portabilité soit souvent considérée comme acquise à l’ère des smartphones, les diagnostics moléculaires ont traditionnellement nécessité des équipements de laboratoire volumineux et coûteux. Lacewing a remplacé la technique optique précédente par une technique électrique utilisant des micropuces, et a été rapidement prototypé, itéré et produit en utilisant la Figure 4 et ses matériaux biocompatibles. Chaque cartouche microfluidique Lacewing mesure environ 30 mm x 6 mm x 5 mm et est imprimée en couches de 10 microns.

Lorsque l’équipe de recherche a commencé à adapter le test pour répondre aux besoins globaux de COVID-19, elle a commencé à imprimer de nouveaux modèles presque quotidiennement. Pour cela, Cavuto a déclaré que la vitesse de la machine était un avantage majeur. “À un moment donné, j’ai pu imprimer et tester trois versions d’un composant particulier en une seule journée avec la Figure 4”, explique-t-il. Cette capacité d’itération rapide des conceptions a éliminé les frictions liées à l’essai de quelque chose de nouveau, et l’expérimentation qui en a résulté ainsi que la collecte accrue d’informations ont permis d’améliorer l’ensemble du système. “Nous sommes facilement passés par 30 versions au cours des deux derniers mois“, déclare Cavuto.

Par 3D Systems
Cette marque est un partenaire certifié de notre réseau.
Volume124.8 × 70.2 × 346 mm
TechnologieRésine
Prix
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La Figure 4 Standalone est une imprimante 3D industrielle à résine, produite par 3D Systems. 3D Systems est un fabricant d’imprimantes 3D basé en Etats-Unis. Cette imprimante 3D utilise la technologie d’impression 3D par résine et offre un volume d’impression de 124.8 x 70.2 x 346 mm.

L’équipe conçoit toutes ses pièces dans SOLIDWORKS et utilise le logiciel 3D Sprint® pour configurer chaque construction. 3D Sprint est un logiciel tout-en-un de 3D Systems qui permet de préparer, d’optimiser et de gérer le processus d’impression 3D. Il a été utile à l’équipe de recherche pour trouver et résoudre des problèmes inattendus. “De temps en temps, nous avons une erreur STL que 3D Sprint peut résoudre pour nous dans l’onglet Préparation”, explique M. Cavuto

Ayant travaillé avec de nombreuses imprimantes 3D différentes dans le passé, Cavuto affirme que la Figure 4 est différente car il y a moins d’obstacles à l’impression en termes de temps, de coût et de qualité. Avec d’autres imprimantes, il se demandait si l’impression en valait la peine en matière de temps et de coût des matériaux, alors que la Figure 4 a éliminé cette friction. “J’imprime une pièce et je vois si elle fonctionne. Si elle ne fonctionne pas, je redessine et j’imprime à nouveau quelques heures plus tard”, explique Cavuto. “Je suis capable d’itérer super rapidement juste à cause de la rapidité de l’imprimante”

La biocompatibilité des matériaux est essentielle pour que la réaction prévue se produise sans inhibition. Source : 3D Systems/Imperial College London

Les matériaux véritablement biocompatibles n’inhibent pas la réaction chimique

Malgré les contraintes de temps liées aux options de test rapide, la vitesse n’était pas le facteur le plus important pour l’équipe de recherche. Comme cette application entre en contact direct avec l’ADN, elle n’est possible qu’avec certains matériaux biocompatibles.

L’équipe de l’Imperial College utilise Figure 4® MED-AMB 10, un matériau ambré transparent capable de répondre aux normes ISO 10993-5 & -10 en matière de biocompatibilité (cytotoxicité, sensibilisation et irritation)*, et qui est stérilisable par autoclave. Ce matériau est utilisé pour les collecteurs microfluidiques translucides. “La figure 4 MED-AMB 10 a montré une biocompatibilité impressionnante pour nos réactions PCR”, déclare Cavuto. “Beaucoup de matériaux que nous avons essayés par le passé les ont inhibées, mais la Figure 4 MED-AMB 10 a montré une faible interaction avec la chimie de nos réactions.” Ce point est essentiel pour l’ensemble du projet, car toute interférence des matériaux de production pourrait retarder ou empêcher la réaction prévue de se produire.

*La biocompatibilité est basée sur les tests effectués par 3D Systems sur une géométrie unique et un ensemble d’échantillons conformément à la norme ISO 10993-5 et -10. Les utilisateurs doivent confirmer l’aptitude à l’emploi et la biocompatibilité pour leurs applications.

Utilisation du portefeuille diversifié de matériaux de Figure 4

L’équipe utilise non seulement le matériau Figure 4 MED-AMB 10 pour imprimer les composants microfluidiques de Lacewing, mais aussi le matériau Figure 4® PRO-BLK-10, un matériau de qualité production, rigide et résistant à la chaleur, pour le boîtier du dispositif, et le matériau Figure 4® RUBBER-65A BLK, un matériau élastomère récemment commercialisé, pour les joints du dispositif. Une partie du Lacewing est même fabriquée en Figure 4® FLEX-BLK 20, un matériau ayant l’aspect et le toucher du polypropylène de production. En dehors de l’électronique et de certains matériels, la quasi-totalité du dispositif est actuellement produite à l’aide du système Figure 4.

Entièrement nettoyé et post-traité en moins de 20 minutes

Une surface propre et lisse est essentielle à la fonctionnalité finale des cartouches Lacewing. C’est pourquoi l’équipe de recherche renonce à toute capacité d’imbrication ou d’empilement de la Figure 4 pour imprimer les cartouches en une seule couche. Le projet étant encore en phase de conception, l’équipe n’a pas encore entièrement chargé la plaque de construction, mais elle estime que la construction maximale sera d’environ trente cartouches microfluidiques à la fois.

Compte tenu de la sensibilité de l’application, le post-traitement est essentiel. Une fois imprimées, les pièces sont lavées dans un bain d’alcool isopropylique, durcies, poncées, puis lavées à nouveau pour s’assurer qu’elles sont toutes exemptes de résidus ou de particules de ponçage. “Nous voulons éviter la contamination à tout prix”, déclare Cavuto. “S’assurer que les pièces sont propres et stérilisées est important pour une réaction réussie et un diagnostic précis.”

Au total, Cavuto estime que le post-traitement prend moins de vingt minutes, et de nombreuses pièces peuvent passer par le processus en même temps.

Une fois le test validé par le NHS, l’équipe de recherche prévoit de produire à grande échelle le test COVID-19. Source : 3D Systems/Imperial College London

De nouvelles capacités pour le développement et l’innovation

“La figure 4 a changé ce que je peux imprimer, ou ce que je pense avoir la capacité de créer”, déclare Cavuto. “En termes de résolution, de vitesse, de qualité de surface, de gamme de matériaux et de biocompatibilité, il n’y a rien de comparable à la Figure 4, et j’ai probablement utilisé tous les types d’imprimantes 3D que vous pouvez imaginer.”

L’équipe de recherche de l’Imperial College prévoit de faire valider prochainement le test COVID-19 auprès du National Health Service (NHS) du Royaume-Uni, ouvrant ainsi la voie à une production à l’échelle dans les six prochains mois. Pour un aperçu complet du fonctionnement de Lacewing, explorez cette page d’information de l’équipe de recherche de l’Imperial College.

Pour en savoir plus sur la Figure 4 de 3D Systems et les matériaux de production biocompatibles, téléchargez notre guide des matériaux.