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3D打印Carbon利用3D打印数字光合成技术,快速部署3D打印“格子”鼻咽拭子用于COVID-19检测

2021-01-09  2706

关于3D打印光固化技术,本文是Carbon创始人、董事会主席Joseph DeSimone教授(左1)的研究论文,同时他也是美国斯坦福大学的名誉教授。论文来自约瑟夫·德西蒙教授的分享,翻译仅供学习交流,如有错误之处,请及时指正。其实,在2020年疫情下,不仅来自美国硅谷的Carbon在应用3D打印技术快速反应抗疫行动,来自中国北京的SCRAT3D团队,也几乎同步快速的研发了拭子、面罩等3D打印产品。

美国Carbon公司疫情下

批量3D打印拭子

中国SCRAT3D在疫情下

批量3D打印拭子和呼吸阀


—— 以下为论文全文 ——


新型冠状病毒病(COVID-19)引发了一场大流行,扰乱了全球供应链。这个黑天鹅事件是具有挑战性的行业直接从所有经济领域包括这些行业需要生产项目,保护我们免受疾病本身,尤其是个人防护设备(N95口罩、面盾牌)和所需的耗材与测试和疫苗相关的交付(棉签、瓶和病毒传输介质)。数字化制造,特别是3D打印,已经被作为新产品快速发展的重要手段,以及在供应链被打破时替代许多传统制造方法(包括注射成型)的制造技术。在此,我们报道了使用数字光合成(DLS)设计和大规模应用鼻咽拭子检测人类冠状病毒SARS- CoV-2感染的方法。NP棉签是受COVID-19造成的供应链中断影响最严重的社会必备产品之一。DLS用一种液体树脂设计并制造了一种网状针尖NP拭子,这种液体树脂之前已开发并获批用于制造牙科夜间守卫设备。在一项对疑似感染SARS-CoV-2患者的人类临床研究中,这些网状NP棉签显示非劣效性。

介绍

新型冠状病毒病(2019 - COVID-19)是由新出现的高传染性冠状病毒SARS-CoV-2引起的,可侵入呼吸道、肺部等器官系统。病毒感染的快速检测对于准确跟踪和缓解疫情传播至关重要(1)。大规模推广COVID-19检测的一个主要障碍是缺乏用于收集病毒样本的鼻咽拭子。最大的NP棉签制造商之一位于意大利伦巴第,这是欧洲受COVID-19影响最严重的地区之一(2)。为了应对全国的短缺,我们着手设计一种适合使用数字光合成的NP棉签TM (3),并对其临床表现进行评价。贝斯以色列女执事医学中心(BIDMC)和哈佛大学(4)联合发起了一项多学科合作计划,旨在解决全国NP棉签短缺的问题。

结果

设计/问题陈述:鼻拭子有三个重要的功能:1)它必须轻松舒适地通过高度弯曲的鼻腔;2)必须收集足够的粘膜样本以检测病毒RNA;3)释放生物样品的方式必须不干扰反转录聚合酶链反应(RT-PCR)检测。

晶格抽汲设计:考虑到这些因素,我们将NP拭子的设计分为两个重要部分:1)远端球头和2)手柄。我们首先设计了总长度和手柄尺寸,以密切模仿标准的植群NP棉签。这包括位于远端70毫米处的手柄上的断点,允许临床医生断开拭子球,并将收集的样本放入标准尺寸的样管中。在传统的NP拭子中,我们引入了远端网格球的概念来取代植绒的尖端。使用点状结构作为球茎尖端的原因是为了创造一个灵活的尖端(为了舒适和鼻腔通道),具有相似的外部尺寸(直径为2.6 mm),同时具有开放的腔体,以方便生物样本的收集和转移。

为了设计一个网格拭子来代替传统的植绒拭子,我们重点优化了两个重要的设计参数:1)球头的形状,2)填充球形状的网格结构。设计迭代是由制造工艺要求和来自斯坦福大学临床医生的反馈指导的。我们的目标是优化足够的样本收集和患者舒适度。这些设计迭代收敛到一个35毫米长的圆锥形球头和晶格参数,导致球头尽可能开放,但共形,晶格结构。网格灯泡的设计目的是通过结合表面能量和几何形状来捕获和保留大量的样本。该设计部分使用了Carbon公司开发的格子设计软件(10)。

基于第一个临床试验BIDMC(4)和病人反馈有关安慰相对传统的植绒拭子,我们介绍了一代2格子NP拭子设计主要有两个变化:一个完整的锥形,螺旋灯泡内核心提示和一个更加开放的单位细胞设计流畅晶格在抽样前增加患者舒适度。这些改进提高了灯泡的耐久性和灵活性,同时保持了样品的收集量。


锥形螺旋形鼻芯可预弯鼻球尖端区域,使其在施加最小的力时弯曲,更容易符合鼻腔的轮廓。更开放的单元单元还通过删除许多轴向导向的struts来提高灵活性。此外,更大的单位细胞使生物样本更容易进入格笼,在格笼中采集样本。

材料选择

NP拭子需要结合灵活性和强度来安全有效地采集样本。一般来说,棉签必须能够向后弯曲而不折断,同时还要有足够的硬度到达鼻咽,通过鼻道的阻力。组成棉签球的材料必须具有足够的多孔性和柔软性,以使人感到舒适,并且在取样过程中没有任何可能导致破裂的缺陷。为了实现这些结果,我们假设用于格栅NP抽吸的材料需要有较高的断裂伸长率(50%以上)和大于500 MPa的杨氏模量。对于与粘膜接触的医疗器械,要求是最终成品器械灭菌后通过细胞毒性、刺激性(ISO 10993-5和-10)和致敏性生物相容性测试要求。鉴于应对COVID-19大流行的时间紧迫,我们认为,使用已批准在牙科市场使用的、具有必要的机械和生物性能特性的现有适用于DLS打印的树脂将是理想的。我们还评估了那些以前验证过的DLS树脂与热压罐灭菌以及其他潜在的灭菌方法兼容。Keystone®Industries的KeySplint Soft®Clear材料符合这些标准。

疑似和已知SARS-CoV-2感染患者临床评估:

在斯坦福大学,通过IRB批准的研究,这些网状NP棉签在疑似SARS-CoV-2感染患者身上得到了临床验证。与Copan模型501CS01(“控制”)NP拭子比较,格子NP拭子的性能。计划使用对照拭子进行标准临床SARS-CoV-2 RT-PCR检测的参与者同意使用网状NP拭子进行第二个样本。样本采集由接受过NP拭子样本获取正式培训的工作人员进行。在斯坦福医院使用第一代格型NP棉签对176名研究参与者进行测试的数据如图1所示。如果没有真阳性(TP)或假阳性(FP)调用,就无法计算这些数据的Kappa系数。在斯坦福医院使用第2代格点NP拭子对201名研究参与者进行测试的数据如图1所示。

图1:一致性结果显示为2x2表,给出了第1代和第2代格子NP拭子与对照拭子的计数。 不一致的结果是灰色的;每个拭子下面和每个盒子的右边的总数;K=Cohen的Kappa。

卡帕系数表明,格子NP拭子与传统的COPA N羊群拭子之间有很高的一致性(7,8。 应该注意的是,对于被列为假阳性的读数,这个赋值是因为羊群拭子样本被读取为阴性。 然而,确定从该样本中获得的患者症状性COVID-19阳性,并在使用传统的蜂群拭子之前的几周内进行了两次COVID-19阳性测试。 我们假设,这种假阴性的羊群拭子样本是由于该患者的低病毒负担(9),并可归因于较低的病毒RNA恢复的羊群拭子相对于格子NP拭子。

结论:

在COVID-19大流行期间,DLS技术能够快速设计、扩大和临床部署一种全新的急需的医疗设备-NP测试拭子。 在很短的时间内,DLS允许格子NP拭子的多次迭代,包括对人类的临床评估。 根据对近400例患者的临床研究,格子NP拭子与羊群拭子(来自COPA N)相比是等效的或更好的。 一个明显不同的物理结构-一个网状的球茎尖端和一个成群的棉签-被发现适合在鼻咽收集生物样本。Keystone®Industries公司的Key Splint软®透明材料被发现适合用作格子NP拭子,并证明与RT-PCR分析方法兼容,以检测冠状病毒SARS-CoV-2。 使用碳的添加剂制造方法,DLS,以及正确的材料选择,这是可能的设计,临床验证,并推出I类,510(K)豁免体外诊断医疗设备在短短20天内。

添加剂制造NP拭子出现,以解决COVID19大流行带来的严重短缺。 了解这些数字设计的格子测试拭子的优点和缺点将需要在更多的控制,多中心的研究下进一步研究。 使用格子NP拭子的假阴性率较低是令人鼓舞的,但需要在更大的临床研究中进行检查。 最近的工作表明(9)在疾病的不同阶段,鼻咽部位可能不是识别COVID-19阳性患者的最佳方法。 设计优化的拭子进行中涡轮或纳雷斯收集,并比较这些样本点的相对准确性是一个潜在的研究领域。 测试

在这些较少的“侵入性”解剖部位的验证可能允许更好的病人体验和自我管理取样的潜力,有助于降低医疗工作者和病人的风险。

材料和方法

格子NP拭子是使用DLS技术在M2打印机(192毫米x120毫米xy构建区域与75微米像素大小)上使用KeySplint软®透明树脂3D打印。 格子NP拭子印刷在一个包装密度间隔约6毫米的中心,使448拭子在2小时30分钟内打印。 制造工艺说明是根据与Keystone®工业公司的FDA510(K)提交K183598的KeySplint软®透明树脂相关的使用适应症开发的。 为了利用相应的生物相容性数据,在很大程度上遵循了这些数据。 为了提高产量和吞吐量,在零件文件中添加了牺牲打印特性,以最小化零件处理。 零件上的这一特性还包含了在许多制造和运输过程中可追溯性的唯一标识符。 印刷后,用格子NP拭子清洗

>97%异丙醇5分钟。 接下来,他们被留在空气干燥30分钟。 一旦干燥,拭子在DrevePCU90后固化单元中在氮气惰性环境下进行20分钟的紫外线固化,使用定制的夹具在UV室内堆放。 然后根据质量计划的要求对拭子进行检查,然后将其单独包装在一个单独使用的可自动包装中,然后运往临床地点。

晶格NP拭子灭菌后使用实验室和临床测试面板进行测试,以根据已确定的指标确定性能,包括力学性能(抗拉强度、扭矩、模拟使用)、收集效率(吸水率)、PCR兼容性和临床性能。

机械性能

用MTS®测试仪(MTS超E43)测试格子NP拭子失效,以确定将格子灯泡尖端与手柄分离所需的力。 这是为了确保格子的NP拭子能够承受超出其在现场可能经历的力。 从实际的角度来看,很少有证据表明NP拭子会在鼻腔的突起上被抓住。 选择4.5N负荷作为最低要求,因为它将允许一个重要的安全系数,通过与粘液膜的相互作用,拭子将经历什么,以及一种可以合理预期的力量,在收集期间,由医疗工作者。 格子NP拭子被扭曲90°时,加载到MTS测试器的夹持器,并拉到故障。 这90°扭转的目的是暴露颈部的任何缺陷或弱点。 表1显示,第一代和第二代拭子在破损前都经受了25N以上,超过了ISO10993-5和-10子部件,它们对应于最大预期负荷的5倍。 为了了解NP拭子在收集过程中被缠绕时会遇到什么合理的力,并看看这种力是否会导致格子灯泡尖端与手柄分离,NP拭子用扭矩测试仪进行了分析。 用戴手套的手在手柄上施加旋转力,并测量最大扭矩。 不可能对NP拭子施加超过2.7Nm的扭矩。 这种力不足以将格子灯泡尖端与手柄分离,所有样品都没有失效。

为了进一步了解格子NP拭子的性能,开发了一种模拟使用试验,该试验使用一段清晰、灵活的¼“内径油管弯曲,半径为28毫米的夹具。 测试是在没有润滑作为最坏的情况下进行的(与使用矿物油相比)。 为了测试格子NP拭子,远端被插入油管,直到灯泡到达油管的弯曲,由夹具上的一个里程碑注意到。 在这个位置,拭子顺时针转动5次,然后逆时针转动5次,然后检查是否断裂。 没有经历多次支柱故障的SWAB被视为通过。 本试验结果见表1。 另外,大量的格子NP拭子(每个>600个)在模拟使用中进行了工艺验证测试,并在第一个过程中观察到

单一支柱断裂。 第一代样本平均可以达到10个转弯,而许多(N=20)第二代拭子在21个转弯(测试的上限)没有破裂。 结果如图2所示,表明这两种设计显然经得起更糟糕的案例测试。

表1:机械测试结果和网状NP棉签吸水率

图2:在工艺验证中,在模拟使用模型中测试了大量的样品(>600)。对样品进行了仔细监测,以发现单杆失效的第一个迹象。与第1代棉签相比,第2代棉签在第一次支柱失效前能够承受几乎两倍的转弯。

使用三点弯曲夹具测试了格子NP棉签的弯曲力。将网格球头放置在两个固定的柱子上,测试力,使网格球头的中间位移5毫米。图3显示了第1代和第2代格构NP拭子在等效延伸处的相对载荷曲线。由于第2代网状NP拭子的灵活性得到了提高,使得网状拭子球头偏斜所需的力大大减少,这可能有助于通过非线性鼻道。图4显示了棉签之间弯曲模式的差异。当载荷作用于球头时,第一代NP格型棉签主要弯曲在球头下方的颈部,而第2代NP格型棉签主要弯曲在球头。

图3:点弯曲力测量试验中第一代和第2代网状NP棉签的比较。第二代机器人偏转时需要更少的力,这使得它能以更少的力在鼻道中行走。

图4:第1代(左)和第2代(右)格子NP棉签的弯曲模式比较。当力作用于棉签的顶端时,第一代棉签的反应是在灯泡下面的颈部弯曲。在第2代中,弯曲集中在拭子球中。

收集效率

NP拭子的主要目的是收集足够的分泌物,通过RT-PCR准确检测病毒颗粒。作为样本收集的替代品,我们测试了格子型NP棉签的吸水性。将水(1毫升)加入分析刻度,然后将棉签的表面完全暴露(滚动)在水中。用重力法测定吸水率。第一代和第二代拭子能够吸收最少50µL的水,远远超过数量的水吸收(16µL)对传统报道NP聚集拭子(5)。

PCR兼容性

在这种应用中,除了适当的机械性能和收集效率外,最重要的是格型NP拭子不干扰PCR检测。众所周知,拭子由天然纤维来源(cotton-tipped或海藻酸治疗)可以通过干扰试验强烈绑定RNA / DNA分析物或通过抑制酶反应测试试剂(6)。鉴于装有格子的NP拭子被用与PCR检测未知的兼容性的材料,他们和几个不同的分析评估系统包括试剂盒QIAsymphony

SP和雅培M2000 Aldatu测试。由于棉签的物质或任何其他因素,没有检测到PCR抑制。

用于临床评估的网状NP拭子由美国FDA注册的体外诊断和医疗器械制造商Resolution Medical a生产,该制造商符合所有适用法规,包括质量体系法规21 CFR Part 820和ISO 13485:2016。Resolution Medical是碳的授权客户,拥有多个碳打印机。网状NP拭子是I类510(k)豁免,在FDA注册的体外诊断医疗设备(#10050670)。网状NP棉签在使用前根据制造商的协议单独包装和高压灭菌(灭菌器类型:真空;预处理脉冲:4;温度:132摄氏度;全循环时间:4分钟;干燥时间:30分钟)。按照标准方案进行抽汲。参与者首先用对照组的棉签拭子,然后在另一个鼻孔用格状NP拭子拭子。每个棉签的鼻标选择留给工作人员和参与者。对照和试验NP拭子放置在单独的小瓶缓冲盐水中,使用实验室开发的SARS-CoV-2 RT-PCR检测方法进行检测,该方法已获得FDA紧急使用授权(EUA200036)。RT-PCR结果报告为阳性、阴性或不确定。为了计算Cohen’s Kappa(7,8),假定植绒棉签为金标准(尽管有报道称植绒棉签的准确性< 100%(4))。必须指出这是不太可取的临床基地消毒棉签在本地使用之前,然而有许多与航运pre-sterilized产品相关联的质量保证测试的时间不利于快速响应的背景下COVID - 19大流行。目前正在开发一种使用环氧乙烷灭菌的网状NP拭子,预计在2020年6月之前投入使用。


1 Carbon, Inc., Redwood City, CA

2 斯坦福大学,斯坦福,加州

3 北卡罗来纳大学教堂山分校,教堂山,北卡罗来纳州

4 北卡罗来纳州立大学,罗利,NC; 5斯坦福医疗保健,斯坦福,CA


参考文献

1.Cohen, J. Science 2020 (https://www.sciencemag.org/news/2020/03/were-behind-curve-us-医院-面临-挑战-大规模冠状病毒测试#)。

2.E. Yong《大流行病将如何结束》;《大西洋月刊》,2020年3月25日。

3.Tumbleston, j . r .;Shirvanyants d;Ermoshkin:;Janusziewicz r;约翰逊,a . r .;凯利,d;陈,k;Pinschmidt r;罗兰,j.p.;Ermoshkin, a;Samulski e t;《科学通报》2015,347,1349-1352。

4.卡拉汉,c . j .;李,r;Zulauf k . e .;[l;史密斯,k p;Previtera, j .;程,a;绿色,a;Azim, a . a;矢野,a;Doraiswami:;科比,j . e .;Arnaout r;“应对COVID-19大流行的多种新型3d打印鼻咽拭子的快速开放开发和临床验证”;medRxiv, doi: https://doi.org/10.1101/2020.04.14.20065094。

5.Lutz出版社。美国公共科学图书馆(PLOS One) 2014年发表的《用于医疗点诊断的拭子样本转移:拭子类型和手动搅动方法的特征》

6.[13]李志伟,王志伟,王志伟,实时荧光定量PCR技术的研究进展,中国生物医学工程学报,2006,27 (2):197 - 197;2013年1月,DOI: 10.1007/978-1-60327-353- 4_2

7.Ubersax J. Kappa系数。诊断协议2010年更新的统计方法。可以在http://john-uebersax.com/stat/kappa2.htm。访问于2010年7月16日。

8.科恩,j .建造。Psychol。Meas, 1960, 20,37 - 46。

9.Wikramarata p;佩顿,R.S.;Ghafari m;Lourenco, j .;“用RT-PCR估计SARS-CoV-2的假阴性检出率”;medRxiv, doi: https://doi.org/10.1101/2020.04.05.20053355。

10.https://www.carbon3d.com/blog/lattices/


确认:我们感谢r .费洛浦用k·帕克和r . Arnaout桌面金属,哈佛大学和贝斯以色列女执事医疗中心,分别让我们注意的意识是一个国家缺少NP测试拭子和站着一个特别的财团的3 D打印技术专家应对COVID-19诊断检测短缺(https://github.com/rarnaout/Covidswab)。我们真诚地感谢所有参与本次研究的患者。此外,我们感谢斯坦福护理提供者的努力,特别是Julia A. Bancroft, MSN, FNP-C,是她使这项研究成为可能。资助:我们感谢斯坦福医疗保健为这项研究提供资源和资金。作者的贡献:J.M.D, h.k., c.k., e.m., S.P., S.P., J.R., S.S. (Schmidt), S.S. (Seshadri), and R.V.W.进行了概念化、调查、数据分析和写作。I.B.,回堵, M.H.,文学士,开环上午,,广义相对论和K.S.协助概念化,实验室调查,数据收集,分析和写作。贝拉,参考书籍ct协助进行临床调查。所有作者都同意这份手稿。利益冲突:所有与Carbon相关的作者都得到了Carbon公司的补偿,并拥有其股份。Resolution Medical的所有作者均获得Resolution Medical有限责任公司的补偿,并拥有该公司的股权。


—— 以上为论文全文 ——


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