迅速な診断のためのマイクロ流体デバイスの3D印刷

COVID-19の流行により、誰もが迅速な診断の重要性を認識しています。 3月末以降、ベルギーは薬局での自己診断を許可しています。 このセルフテストは、いわゆるイムノクロマトグラフィーです。 ベルギーのルーベン大学（KUルーベン）の研究者は、イムノクロマトグラフィーの可能性を広げる3D印刷技術を開発しました。 これらの検査は、古典的な妊娠検査とCOVID-19自己検査の形で広く普及しています。 新しい印刷技術により、高度な診断テストを迅速、安価、簡単に実行できます。

設備の整った分析ラボが利用できない場合は、患者の現場で迅速な診断テスト（いわゆる「ポイントオブケア」（POC）テスト）を実行することが不可欠です。先進国と発展途上国の両方で、POC診断は、治療可能な病気の早期診断と急性の健康危機への対応を通じて、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1回限りであり、関連する手順や外部機器へのユーザーの依存を最小限に抑える必要があります。長い間、マイクロフルイディクスは実験室ベースの診断プロトコルをチップに減らすことを約束してきました。この分野での成功にもかかわらず、POCの使用の主な制限は、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かさばり、外部電源に依存していることです。

キャピラリーウィッキングによる流体供給により、外部ポンプが不要になります。家庭での妊娠検査で使用されるイムノクロマトグラフィー（LFA）は、この原理を使用して、多孔質の紙の膜を通して液体サンプルを吸い上げます。先進国や資源の乏しい環境での成功にもかかわらず、多くのLFAは依然として定性的であり、その1D形式は、ステップの時間指定された実行を必要とするプログラムの実装には適していません（たとえば、増幅ベースの酵素結合免疫吸着測定法（酵素結合免疫吸着アッセイ、ELISA））、1Dフォーマットは、定量的または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不適切です。毛細管現象によってのみこのようなシーケンスを達成するために、疎水性バリアを備えた形状にそれぞれパターン化または切断された積層多孔質膜（通常は紙）の流路を定義するいくつかの方法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）は間違いなく低コストであり、流体輸送性能に影響を与えることなく圧縮性多孔質層を確実にラミネートすることは依然として困難です。さらに、それらを他の個別のコンポーネント（たとえば、ウィッキングパッド、両面テープ、セルロース粉末、クランプ）と再組み立てすることは容易ではありません。結果として生じる層間の接触の問題は、機器の故障を引き起こす可能性があります（たとえば、7層モジュールの場合は約30％）。毛細管現象（しばしば毛細管回路と呼ばれる）によって駆動されるオープンチャネルマイクロフルイディクスは、紙ベースのデバイスの代替手段です。ただし、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小さな部品（≤10m）をトップダウン方式で製造する必要があります。この製造方法は、結果として得られるデバイスのコストを増加させ、もちろん製造装置のコストも増加させます。 3D印刷、特にステレオリソグラフィー技術は、キャピラリー回路の低コストの製造ルートと機器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の解像度よりも低く、フル3Dプリントの毛細管現象はまだ証明されていません。

▲3Dプリントされたマイクロ流体デバイスの概念図

ここでは、ベルギーのルーベン大学の研究者が、モノリシックポンプレスマイクロ流体技術を製造するための新しい方法として3D印刷を使用しています。これまでのところ、3D印刷は主に、ポンプ駆動のマイクロフルイディクスを含め、（通常は複雑な）形状が機能を決定するオブジェクトの製造に使用されてきました。一般に、印刷されたボリュームにボイドがないように注意して、そのパフォーマンスが従来のエンジニアリング材料の量と同じになるようにする必要があります。対照的に、この研究の3D印刷された毛細管駆動マイクロ流体デバイスは非常に多孔性であり、その機能は完全に細孔壁表面化学の正確な空間制御に由来します。

正確な印刷

研究者たちは、3Dプリンターを使用して、イムノクロマトグラフィーの3Dバージョンを作成しました。基本は、特定の特性を持つ「インク」が正確な位置に印刷された多孔質ポリマーの小片です。このようにして、チャネルと小さな「ロック」で構成されるネットワークが形成されるため、トラフィックは、可動部品なしで、必要な場所で必要なときに通過またはブロックできます。テスト中、サンプルは自動的にガイドされ、さまざまなテストステップを実行します。このようにして、複雑な合意にも従うことができます。



図1.モノリシックキャピラリー駆動マイクロ流体デバイスの3D印刷。

▲イラスト：（A）接着液を使用して、建材の層とインクジェット印刷物のスライスを交互に広げて、接着ジェット3Dプリントを行います。疎水性接着剤（灰色）は毛細管流路（ピンク）を表すために使用され、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ます。 （B）熱分解された多孔質3Dプリント部品に結合したPMMA粒子の走査型電子顕微鏡画像。円形のマーク（矢印で示されている）は、粒子をまとめるネックが壊れている場所を示します。 （C）3Dプリント部品の親水性チャネルを介して吸い上げられた5％CsI水溶液のX線CTによる視覚化。 CsIは、水溶液（ライトグレー）とPMMA粒子の間のコントラストを高めるために使用されます。 （D）上：水溶液（青）は、毛細管の流れを特徴づけるために使用されるデバイスを通して吸い上げられます。わかりやすくするために、3Dプリントの疎水性部分は透明として示されています。下：実験的な吸湿速度とBosanquetフィット。背景：灰色の破線で示された時点での親水性チャネル（断面積2×2mm）を介して吸い上げられる青色染料溶液の光学画像。 3D印刷装置の輪郭は、青い破線で表されています。

研究者らは、免疫グロブリンE（IgE）の検出に使用されるELISAテスト（酵素結合免疫吸着測定法）を再現できる技術を評価しました。 Ig Eは、アレルギーを診断するために測定されます。実験室では、テストにはいくつかのステップが必要であり、さまざまなリンス液を使用し、酸性度を変更します。研究チームは、厚いクレジットカードのサイズの印刷されたテストキットを使用して、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。わかりやすくするために、3Dプリントされた疎水性部分は透明になっています。イラスト：さまざまな時点での光学画像。さまざまな色の溶液が、織り合わされた親水性チャネルを介して吸い上げられることを示しています。チャネルの非表示部分は表示されません。時計の記号は単なる目安です。 （B）方向性のある流れに基づくトリガーバルブ。上：アクティベーションシーケンスの概略図。青い液体は、疎水性バリアで停止するまで親水性チャネルに吸い上げられます。ウィッキングは、黄色の液体が疎水性バリアを埋めることができる界面活性剤（緑色）を溶解した後にのみ継続します。時計の記号は単なる目安です。中央：さまざまな段階で光学画像をアクティブにします。界面活性剤の位置は、緑色の点線の円で示されています。下：疎水性ギャップを埋める前、埋めている間、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ありません

3D印刷の優れている点は、たとえば癌のバイオマーカーを検出するなど、他のプロトコルに適応するようにテストの設計をすばやく調整できることです。 3Dプリンターの場合、チャネルネットワークの複雑さは重要ではありません。 3D印刷技術は、手頃な価格でスケーラブルです。パラ博士は、彼らの研究室では、テスト用のIg Eプロトタイプの製造コストは約1.50ドルですが、規模を拡大すると1ドル未満になると述べました。この技術は、先進国に安価で迅速な診断の機会を提供するだけでなく、医療インフラストラクチャを取得することが困難であり、手頃な価格の診断テストが強く求められている国でもそのような機会を提供します。



図3.3Dプリンター。 （A）印刷方向の概略図。 （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変更し、液体ノズルを取り外します。 （D）シリンジを使用してインクを注意深く吸引し、推奨される計画に従ってプリントヘッドをクリーニングします。 （E）カスタマイズしたアルミニウムカバーをHP11プリントヘッドに貼り付けます

研究チームは現在、独自の3Dプリンターを設計しています。これは、現在の研究で使用されているビジネスモデルよりも柔軟性があります。最適化されたプリンターは、診断情報をすばやく生成できる小さなモバイルファクトリーのようなものです。次に、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、さまざまなタイプのテストを作成できます。