Hybridtillverkning av mikrofluidiska enheter gynnar medicinsk diagnostik
Mikroelektromekaniska system (MEMS) med mikrofluidik är precisionsenheter i nanostorlek som kombinerar mekaniska och elektriska komponenter med förmåga att manipulera vätskor. De kan hantera provvolymer på mindre än en milliliter och kan användas som medicinska diagnosenheter med smarta funktioner som molekylär detektion och signalanalys. Dessa enheter, som kallas ”labs-on-a-chip”, är ofta tillverkade av polymerer pga. deras fördelaktiga egenskaper. De har låga reagensvolymer, är snabba att behandla och styrs med hög precision, men material och tillverkning försvårar produktionen. ”Om polymeriska mikrofluidiska enheter ska vara funktionellt och kommersiellt genomförbara behöver man kostnadseffektivt integrera flera funktioner, material och processer med hög precision och repeterbarhet”, säger Costas Charitidis, samordnare för det EU-finansierade projektet M3DLoC, chef för R-Nano-labbet vid nationella tekniska universitetet i Aten (NTUA) och värd för projektet. I M3DLoC har man tagit fram en prototyp till digital pilottillverkningslinje med kapacitet att producera enbart sådana polymeriska mikrofluidiska enheter, med måttbeställda lösningar från mindre körningar till partier i pilotskala, 10 till 1 000 enheter, beroende på storlek, analyskrav och hur komplicerad funktionsdesignen är överlag. ”Genom att använda 3D-utskriftsteknik i de additiva-subtraktiva hybridprocesskedjorna upprättade vi en helt digital och automatiserad produktionslinje. Denna unika, internationellt ledande pilotproduktionslinje skulle kunna öppna nya marknadsmöjligheter i den biomedicinska industrin”, tillägger Eleni Gkartzou från projektets samordningsteam på NTUA.
Hybridtillverkningsprocessen
M3DLoC:s pilotproduktionslinje utgörs av fem behandlingsstationer och två metrologisystem inom linjen för att kvalitetssäkra komponenterna. Stegen i tillverkningssekvensen kan varieras, så att man kombinerar extrusionsbaserad friformsframställning (additiv tillverkning) och bläckstråleutskrift med mikromaskinbearbetning och laserbehandling. ”I detta integrerade arbetssätt sammankopplas flexibel mikrofabricering och multimaterialintegration för att tillverka mikrofluidiska egenskaper med högt bredd-höjd-förhållande på polymersubstrat, och samtidigt införliva mikrostrukturerade kolbaserade elektroder och noggrant avsatta biomolekyler, ända ner till pikolitervolymer”, förklarar Dimitrios Fantanas, också från projektsamordningsteamet på NTUA.
Integration av provanalyser inom en patron
Projektet visade produktionslinjens kapacitet att producera enheter lämpliga för klinisk diagnostik, med protokoll och analyser utvecklade av experter på och slutanvändare av mikrofluidik, för biologiska markörer för virus (HIV, SARS-CoV-2), bakterier (läkemedelsresistenta tuberkulosbakteriestammar) och cancer (mutationer av receptorer för epidermal tillväxtfaktor). Olika parametrar – vätskekontroll, sensorutformningar och tillverkning – simulerades mot slutanvändarnas krav. Dessutom utvecklades biologiskt härledda termoplastmaterial och vattenbaserade konduktiva bläck med låg miljöpåverkan, som kan ersätta mer traditionella material som silikon och glas. ”Resultaten visade att M3DLoC-enheter lämpar sig för analys av utmanande kliniska prover och är jämförbara med kliniskt validerade metoder av högsta standard”, menar Charitidis.
En komplett värdekedja för många olika användningsområden
Projektet M3DLoC och dess partner hanterade framgångsrikt restriktionerna under covid-19-pandemin, då M3DLoC:s friformsframställningssystem användes för att producera personlig skyddsutrustning för vårdpersonal. Man övervann pandemins hinder och utvecklade en komplett värdekedja från prototypdesign, materialutveckling, produktion och genomförande till prestandabedömning. ”Högpresterande analyser till låg kostnad ger tidigare diagnoser, personanpassad medicin och bättre patientuppföljning, vilket minskar vårdkostnaderna och höjer livskvaliteten”, säger Charitidis. Sådana diagnostiska enheter skulle också kunna förbättra tekniken vid kvalitetskontrollerna i alla industrierna för kemikalier, olja och gas, läkemedel och livsmedel, och också bidra till system för miljö- och jordbruksövervakning. ”Pilotlinjen finns tillgänglig för slutanvändare som behöver en mikrofabriceringsanläggning i en industrimiljö med öppen åtkomst för pilotproduktion av medicintekniska produkter. Den påskyndar övergången från forskning och utveckling till förkommersiell produktion, genom snabbt prototyparbete med helt digitaliserad tillverkning”, avslutar Charitidis.
Keywords
M3DLoC, friformsframställning, additiv tillverkning, 3D-utskrift, labs-on-a-chip, multifluidik, polymerisk, analyser, diagnostisk, SARS-CoV-2
