Dispositivo de diagnóstico rápido desarrollado con la Figura 4 Independiente

Producto: Impresión DLP
Industria: Electrónica y Semiconductores

El repentino y alarmante aumento global del COVID-19 ha puesto de relieve la importancia de una detección de enfermedades accesible y rápida. La capacidad de realizar pruebas de detección de enfermedades no sólo permite una mejor contención para evitar una mayor propagación, sino que también permite a los epidemiólogos reunir más información para comprender mejor una amenaza que de otro modo era invisible y misteriosa. Desde los medios reveladores de transmisión hasta las tasas de infección, la importancia de las pruebas para las enfermedades infecciosas se ha sentido en todo el mundo.

Un equipo de investigadores del Imperial College de Londres, dirigido por el Dr. Pantelis Georgiou, está abordando este problema de frente con un proyecto llamado Lacewing para la detección de patógenos. Ofreciendo resultados en 20 minutos desde una aplicación de teléfono inteligente sincronizada con un servidor en la nube, Lacewing hace que las pruebas de enfermedades sean portátiles, incluido SARD-CoV-2-RNA, y automatiza el seguimiento de la progresión de la enfermedad a través del geoetiquetado. Es una sofisticada plataforma de “laboratorio en un chip” que promete llenar las brechas de acceso e información en el mundo del diagnóstico mediante la combinación de biología molecular y tecnología de vanguardia. Mientras que otras tecnologías de diagnóstico requieren equipos ópticos grandes y costosos, el método de detección eléctrica y el pequeño tamaño de Lacewing es una verdadera evolución en el enfoque.

La clave entre las tecnologías detrás de Lacewing es 3D Systems Figura 4® impresora 3D independiente y materiales de grado de producción con capacidad biocompatible. Utilizado tanto para la creación de prototipos como para la producción de microfluídica y componentes funcionales, el estudiante de doctorado y asistente de investigación del Imperial College Matthew Cavuto dice que los componentes clave de Lacewing se diseñaron en función de las capacidades que sabía que tenía con la Figura 4. “La microfluídica es algo complicado, y la fabricación se ha realizado tradicionalmente a través de procesos de sala limpia lentos, costosos e intensivos en mano de obra”, dice Cavuto. “Con la Figura 4, ahora podemos imprimir rápidamente piezas con complejos canales fluídicos 3D internos para transportar fluido de muestra a diferentes áreas de detección en el chip, mejorando en gran medida nuestras capacidades de producción microfluídica”.

Tan crítico como el elemento de diseño es para este proyecto, es sólo una pieza de una solución altamente sofisticada. Más allá de la complejidad de la pieza y la fidelidad de detalle que permite la Figura 4 de 3D Systems, esta solución de impresión 3D ha ayudado al equipo de investigación a través de la velocidad de impresión, la calidad de impresión y las opciones de materiales biocompatibles.

Microfluidics cartridge for Lacewing diagnostics device 3D printed using Figure 4

Iteraciones rápidas para responder a la necesidad de pruebas de COVID-19

La plataforma Lacewing ha estado en desarrollo durante un poco más de dos años, y es una prueba de diagnóstico molecular que funciona mediante la identificación del ADN o ARN de un patógeno dentro de una muestra de paciente. Este tipo de pruebas permite determinar no solo si alguien está infectado con una determinada enfermedad (dengue, malaria, tuberculosis, COVID-19, etc.), sino en qué grado, lo que proporciona más información sobre la gravedad de los síntomas.

Antes del brote de COVID-19, el impulso para esta prueba era permitir pruebas portátiles en áreas remotas del mundo. Aunque la portabilidad a menudo se da por sentado en la era de los teléfonos inteligentes, el diagnóstico molecular tradicionalmente ha requerido piezas grandes y costosas de equipos de laboratorio. Lacewing ha reemplazado la técnica óptica anterior por una eléctrica que utiliza microchips, y ha sido rápidamente prototipada, iterada y producida utilizando los materiales independientes y biocompatibles de la Figura 4. Cada cartucho microfluídico lacewing es de aproximadamente 30 mm x 6 mm x 5 mm, impreso en capas de 10 micras.

A medida que el equipo de investigación comenzó a adaptar la prueba para responder a las necesidades globales de pruebas de COVID-19, comenzó a imprimir nuevos diseños casi a diario. Para esto, Cavuto dijo que la velocidad de la máquina era un gran beneficio. “En un momento dado, pude imprimir y probar tres versiones de un componente en particular en un solo día con la Figura 4”, dice. Esta capacidad de iterar rápidamente los diseños ha eliminado la fricción de probar algo nuevo, y la experimentación resultante y el aumento de la recopilación de información ha llevado a mejoras en el sistema en general. “Hemos pasado fácilmente por 30 versiones en los últimos 2 meses”, dice Cavuto.

El equipo diseña todas sus partes en SOLIDWORKS y utiliza el software 3D Sprint® para configurar cada compilación. 3D Sprint es un software todo en uno de 3D Systems para preparar, optimizar y administrar el proceso de impresión 3D, y ha sido útil para el equipo de investigación en la búsqueda y resolución de problemas inesperados. “Ocasionalmente obtendremos un error STL que 3D Sprint puede resolver para nosotros en la pestaña de preparación”, dice Cavuto.

Después de haber trabajado con muchas impresoras 3D diferentes en el pasado, Cavuto dice que la Figura 4 es diferente porque hay menos barreras para la impresión en términos de tiempo, costo y calidad. Con otras impresoras, se preguntaría si una impresión valió la pena en términos de tiempo y costo de material, mientras que la Figura 4 ha eliminado esa fricción. “Imprimo una pieza y veo si funciona. Si no es así, rediseño e imprimo de nuevo solo unas horas más tarde”, dice Cavuto. “Soy capaz de iterar muy rápidamente sólo por lo rápido que es la impresora.”

Los materiales verdaderamente biocompatibles no inhiben la reacción química

 Microfluidics cartridge 3D printed in Figure 4 MED-AMB 10

A pesar de las presiones de tiempo para las opciones de pruebas rápidas, la velocidad no fue el factor más importante para el equipo de investigación. Debido a que esta aplicación entra en contacto directo con el ADN, solo es posible con ciertos materiales biocompatibles.

El equipo del Imperial College está utilizando la Figura 4® MED-AMB 10, un material ámbar transparente capaz de cumplir con las normas ISO 10993-5 &-10 de biocompatibilidad (citotoxicidad, sensibilización e irritación)*, y que es esterilizable a través de autoclave. Este material se utiliza para las variedades microfluídicas translúcidas. “La Figura 4 MED-AMB 10 ha mostrado una biocompatibilidad impresionante para nuestras reacciones de PCR”, dice Cavuto. “Muchos materiales que hemos probado en el pasado los han inhibido, pero la Figura 4 MED-AMB 10 ha mostrado una baja interacción con nuestra química de reacción”. Esto es fundamental para todo el proyecto, ya que cualquier interferencia de los materiales de producción podría retrasar o impedir que ocurra la reacción prevista.

Uso de la diversa cartera de materiales de la Figura 4

El equipo no solo está utilizando la Figura 4 MED-AMB 10 para imprimir los componentes microfluídicos para Lacewing, sino que también está utilizando la Figura 4® PRO-BLK-10, un material rígido y resistente al calor de grado de producción, para el gabinete del dispositivo, y la Figura 4® RUBBER-65A BLK, un material elastomérico recién liberado, para juntas a través del dispositivo. Una parte de Lacewing está incluso hecha de la Figura 4® FLEX-BLK 20, un material con el aspecto y la sensación de polipropileno de producción. Además de la electrónica y algo de hardware, casi todo el dispositivo se produce actualmente utilizando el sistema de la Figura 4.

Totalmente limpiado y postprocesado en menos de 20 minutos

Una superficie limpia y lisa es fundamental para la funcionalidad final de los cartuchos lacewing. Por esta razón, el equipo de investigación está renunciando a cualquier capacidad de anidamiento o apilamiento de la Figura 4 para imprimir los cartuchos en capas individuales. Como el proyecto todavía está en la fase de diseño, el equipo aún no ha cargado completamente la placa de construcción, pero estima una construcción máxima de aproximadamente treinta cartuchos microfluídicos a la vez.

Dadas las sensibilidades de la aplicación, el postprocesamiento es fundamental. Una vez impresas, las piezas se lavan en un baño IPA, se curan, se lijan y se lavan de nuevo para garantizar que las piezas estén libres y libres de residuos o partículas de lijado. “Queremos evitar la contaminación a toda costa”, dice Cavuto. “Asegurarse de que las piezas estén limpias y esterilizadas es importante para una reacción exitosa y un diagnóstico preciso”.

En total, Cavuto estima que el post-procesamiento toma menos de veinte minutos, y muchas partes pueden pasar por el proceso a la vez.

Rapid diagnostics device developed using Figure 4 technology at Imperial College London

Nuevas capacidades para el desarrollo y la innovación

“La figura 4 ha cambiado lo que puedo imprimir, o lo que creo que tengo la capacidad de crear”, dice Cavuto. “En términos de resolución, velocidad, calidad de la superficie, rango de materiales y biocompatibilidad, no hay nada que se compare con la Figura 4, y probablemente he utilizado todos los tipos de impresoras 3D que pueda imaginar”.

El equipo de investigación del Imperial College planea que la prueba de COVID-19 sea validada pronto con el Servicio Nacional de Salud del Reino Unido (NHS), allanando el camino para la producción a escala en los próximos seis meses. Para obtener un vistazo completo a cómo funciona Lacewing, explore esta página de información del equipo de investigación del Imperial College.

BOA marca para mejorar los sistemas de ajuste de rendimiento con piezas de la Figure 4

Producto: Impresión DLP
Industria: Productos de consumo y venta

Ya sea que se den cuenta o no, más de la mitad de los ciclistas en el Tour de Francia confían en el BOA® Fit System mientras se mueven milla tras milla en el campo. BOA es también el hilo conductor que conecta ropa de trabajo, refuerzo médico y deportes como golf, snowboard y trail running, ya que cada uno integra el sistema patentado de ajuste de tres partes de BOA en productos de alto rendimiento, manteniendo a los trabajadores y atletas marcados.

Boa Fit System se incorpora a los productos de marcas líderes en el mercado en todas las industrias que se asocian con BOA para ofrecer a sus usuarios el mejor rendimiento. Disponibles en una gama de niveles de potencia diseñados para adaptarse a la intensidad del deporte y la fuerza de cierre necesarias para el producto, los sistemas de rendimiento de BOA están diseñados para ofrecer un ajuste rápido, sin esfuerzo y de precisión.

La búsqueda de materiales impresos 3D funcionales

Uno de los componentes principales del sistema BOA Fit es el dial. Las esferas están diseñadas a tres niveles de potencia diferentes dependiendo de las tensiones de encaje alcanzadas por el engranaje al que están instalados. Esto incluye las esferas de snowboard de alta potencia con reducciones de marchas para el par alto que lanzó el éxito de BOA en 2001. Daniel Hipwood es un ingeniero de diseño sénior en BOA que pasa su tiempo trabajando en el diseño mecánico de estos productos.

BOA ha estado utilizando la impresión 3D para prototipos desde hace varios años, pero según Hipwood, ha sido difícil igualar las aplicaciones de BOA con el rendimiento del material que necesitan. Debido a que los productos de BOA son pequeñas y las propiedades mecánicas son primordiales, muchos materiales de impresión 3D solo podrían ayudar a BOA con la verificación de conceptos y la estética.

“Hemos estado realmente obstaculizados por los materiales disponibles para nosotros”, dice Hipwood, explicando que las piezas que BOA estaba imprimiendo se estaban volviendo quebradizas y no aguantaban con el tiempo. “Tendríamos un concepto y tres días después, si la parte se cayera de un escritorio en una reunión, se rompería en un millón de pedazos. Ha sido un verdadero desafío encontrar un rendimiento similar al termoplástico en las resoluciones que necesitamos, y en realidad piezas de impresión 3D que funcionan a nuestra escala y todavía pueden mantener esas propiedades”.

Aunque el flujo de trabajo de BOA todavía incluirá pequeñas tiradas de piezas moldeadas por inyección preproducción para el futuro previsible, la compañía quería cerrar la brecha entre la durabilidad de la pieza impresa en 3D y las piezas moldeadas por inyección final para que pudiera empujar sus diseños más lejos, más rápido y con mayor confianza antes de comenzar el proceso de herramientas. Su investigación llevó a BOA a la tecnología y materiales de la Figure 4 de 3D Systems.

Figure 4 3D printed part on fingertip

Llevar las pruebas más lejos con Figure 4

La F4 es una tecnología de fabricación aditiva basada en proyección que utiliza una membrana sin contacto para combinar precisión y increíble fidelidad de detalle con velocidades de impresión ultrarrápidas. Junto con los materiales de la F4 de 3D Systems, BOA puede utilizar la F4® Independiente para obtener información temprana sobre el rendimiento de las piezas de producción. En lugar de esperar las tres semanas típicas para piezas mecanizadas, BOA ahora puede evaluar la viabilidad de sus diseños en la misma tarde utilizando la F4.

BOA utiliza varios de los materiales de la F4 de 3D Systems, y es particularmente aficionado a la F4® PRO-BLK 10. A diferencia de otros materiales aditivos que BOA ha probado en el pasado, este material de alta precisión y calidad de producción tiene estabilidad ambiental a largo plazo y un comportamiento similar al termoplástico. Esto ha demostrado ser altamente beneficioso y respondió a la búsqueda de BOA para un material que proporcionaría resolución y rendimiento con la capacidad de mantener sus propiedades. El material está funcionando muy bien para los propósitos de BOA, y la compañía está llevando a cabo pruebas de correlación continuas entre las piezas de producción final y las piezas de la F4 para comprender los requisitos de rendimiento umbral que necesita antes de pasar a la producción. “A veces es en realidad uno a uno, por lo que están realizando lo mismo que nuestros componentes moldeados por inyección”, dice Hipwood.

Como parte del desarrollo de productos, a BOA le gusta tomar prototipos viables y ponerlos en los zapatos temprano en el proceso de diseño para que los probadores puedan interactuar con ellos. Incluso para diseños que no pasarán a la producción final, adjuntar esferas a los zapatos y someterlos a abusos rutinarios ayuda a BOA a recopilar datos de diseño y rendimiento sobre lo que funciona y lo que no. Este aspecto de las pruebas requiere que las esferas se cosan directamente en tela sin agujeros moldeados. Según Hipwood, encontrar plásticos convencionales que se pueden coser es bastante difícil, y mucho menos encontrar un material curado UV que funcionará sin agrietamiento. “Perforar una aguja a través del plástico es un problema de dureza. Se necesita un material resistente, pero que aún mantiene suficiente rigidez para llevar a cabo sus otros usos. La reducción del recuento de piezas es clave, por lo que el componente cosido puede tener otras funciones importantes que requieren un material plástico rígido”, dice Hipwood. El hecho de que la F4 PRO-BLK 10 se pueda utilizar para prototipos de esta manera ha sido una gran ayuda para BOA, ahorrando tiempo y dinero para iterar rápidamente sus diseños para obtener el máximo rendimiento.

Junto con su sistema de ajuste, BOA es conocido por su garantía de por vida: La Garantía BOA. La calidad del producto fuera de la puerta es primordial y tener piezas impresas funcionales ayuda a Hipwood y al equipo de ingenieros de BOA a ofrecer nuevos productos innovadores con ciclos de diseño más rápidos y menos rediseño de los componentes después de la creación de herramientas. “Todo el mundo se esfuerza por reducir y optimizar sus productos, lo que hace que sea fundamental identificar los puntos débiles tan pronto como sea posible en el proceso de diseño para evitar encontrar problemas cuando ya se han creado moldes.”

Los materiales adicionales en uso en BOA incluyen la F4® TOUGH-GRY 15, un material de prototipado gris duradero, y la F4® ELAST-BLK 10, un material de prototipado elastomérico. Más allá de las pequeñas piezas mecánicas dentro de los sistemas de marcación de cordones, BOA utiliza la F4 Independiente para imprimir pruebas estéticas de concepto, fijación de uso final y sobremoldos de agarre de goma.

Un historial de éxito

Según Hipwood, la decisión de BOA de invertir en la tecnología de 3D Systems fue doble. El primer factor fue la experiencia positiva de BOA hablando con el equipo de 3D Systems, y el nivel de soporte y experiencia que 3D Systems demostró. El segundo factor fue la trayectoria de 3D Systems. Como originador de la industria de impresión 3D con una cartera establecida y robusta, BOA confiaba en la longevidad de su inversión si trabajaba con 3D Systems. “Otras opciones que exploramos se sintieron como un producto alfa o beta que no fue probado del todo”, dice Hipwood. El claro enfoque de 3D Systems en la innovación y el avance del estado de la fabricación aditiva hicieron que la empresa destacara.

BOA está satisfecho con su decisión de incorporar la F4. “Hay más de unas pocas personas aquí que pueden hablar sobre cómo la impresora les está ayudando a validar su trabajo”, dice Hipwood.