Carbon操作3D打印数字光合成技能，快速鼻咽拭子用

关于3D打印光固化技能，本文是Carbon首创人、董事会主席Joseph DeSimone传授（左1）的研究论文，同时他也是美国斯坦福大学的名望传授。论文来自约瑟夫·德西蒙传授的分享，翻译仅供进修交换，如有错误之处，请实时指正。其实，在2020年疫情下，不只来自美国硅谷的Carbon在应用3D打印技能快速回响抗疫动作，来自中国北京的SCRAT3D团队，也险些同步快速的研发了拭子、面罩等3D打印产物。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)激发了一场大风行，扰乱了全球供给链。这个黑天鹅事件是具有挑战性的行业直接从所有经济规模包罗这些行业需要出产项目,掩护我们免受疾病自己,尤其是小我私家防护设备(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，出格是3D打印，已经被作为新产物快速成长的重要手段，以及在供给链被冲破时替代很多传统制造要领(包罗打针成型)的制造技能。在此，我们报道了利用数字光合成(DLS)设计和大局限应用鼻咽拭子检测人类冠状病毒SARS- CoV-2传染的要领。NP棉签是受COVID-19造成的供给链间断影响最严重的社会必备产物之一。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拓并获批用于制造牙科夜间捍卫设备。在一项对疑似传染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。先容新型冠状病毒病(2019 - COVID-19)是由新呈现的高熏染性冠状病毒SARS-CoV-2引起的，可侵入呼吸道、肺部等器官系统。病毒传染的快速检测对付精确跟踪缓和解疫情流传至关重要(1)。大局限推广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影响最严重的地域之一(2)。为了应对全国的短缺，我们着手设计一种适合利用数字光合成的NP棉签TM (3)，并对其临床表示举办评价。贝斯以色列女执事医学中心(BIDMC)和哈佛大学(4)连系提倡了一项多学科相助打算，旨在办理全国NP棉签短缺的问题。功效设计/问题告诉:鼻拭子有三个重要的成果:1)它必需轻松舒适地通过高度弯曲的鼻腔;2)必需收集足够的粘膜样本以检测病毒RNA;3)释放生物样品的方法必需不滋扰反转录聚合酶链回响(RT-PCR)检测。晶格抽汲设计:思量到这些因素，我们将NP拭子的设计分为两个重要部门:1)远端球头和2)手柄。我们首先设计了总长度和手柄尺寸，以密切仿照尺度的植群NP棉签。这包罗位于远端70毫米处的手柄上的断点，答允临床大夫断开拭子球，并将收集的样本放入尺度尺寸的样管中。在传统的NP拭子中，我们引入了远端网格球的观念来代替植绒的尖端。利用点状布局作为球茎尖端的原因是为了缔造一个机动的尖端(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，以利便生物样本的收集和转移。为了设计一个网格拭子来取代传统的植绒拭子，我们重点优化了两个重要的设计参数:1)球头的形状，2)填充球形状的网格布局。设计迭代是由制造工艺要求和来自斯坦福大学临床大夫的反馈指导的。我们的方针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，导致球头尽大概开放，但共形，晶格布局。网格灯胆的设计目标是通过团结外貌能量和几许形状来捕捉和保存大量的样本。该设计部门利用了Carbon公司开拓的格子设计软件(10)。基于第一个临床试验BIDMC(4)和病人反馈有关慰藉相对传统的植绒拭子,我们先容了一代2格子NP拭子设计主要有两个变革:一个完整的锥形,螺旋灯胆内焦点提示和一个越发开放的单元细胞设计流通晶格在抽样前增加患者舒适度。这些改造提高了灯胆的经久性和机动性，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，更容易切合鼻腔的表面。更开放的单位单位还通过删除很多轴领导向的struts来提高机动性。另外，更大的单元细胞使生物样本更容易进入格笼，在格笼中收罗样本。质料选择NP拭子需要团结机动性和强度来安详有效地收罗样本。一般来说，棉签必需可以或许向后弯曲而不折断，同时还要有足够的硬度达到鼻咽，通过鼻道的阻力。构成棉签球的质料必需具有足够的多孔性和柔软性，以使人感想舒适，而且在取样进程中没有任何大概导致割裂的缺陷。为了实现这些功效，我们假设用于格栅NP抽吸的质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。对付与粘膜打仗的医疗器械，要求是最终制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大风行的时间紧要，我们认为，利用已核准在牙科市场利用的、具有须要的机器和生物机能特性的现有合用于DLS打印的树脂将是抱负的。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要领兼容。KeystoneIndustries的KeySplint SoftClear质料切合这些尺度。疑似和已知SARS-CoV-2传染患者临床评估:在斯坦福大学，通过IRB核准的研究，这些网状NP棉签在疑似SARS-CoV-2传染患者身上获得了临床验证。与Copan模子501CS01(“节制”)NP拭子较量，格子NP拭子的机能。打算利用比较拭子举办尺度临床SARS-CoV-2 RT-PCR检测的参加者同意利用网状NP拭子举办第二个样本。样本收罗由接管过NP拭子样本获取正式培训的事恋人员举办。在斯坦福医院利用第一代格型NP棉签对176名研究参加者举办测试的数据如图1所示。假如没有真阳性(TP)或假阳性(FP)挪用，就无法计较这些数据的Kappa系数。在斯坦福医院利用第2代格点NP拭子对201名研究参加者举办测试的数据如图1所示。图1：一致性功效显示为2x2表，给出了第1代和第2代格子NP拭子与比较拭子的计数。 纷歧致的功效是灰色的；每个拭子下面和每个盒子的右边的总数；K=Cohen的Kappa。卡帕系数表白，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。 应该留意的是，对付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，确定从该样本中得到的患者症状性COVID-19阳性，并在利用传统的蜂群拭子之前的几周内举办了两次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承担（9），并可归因于较低的病毒RNA规复的羊群拭子相对付格子NP拭子。结论：在COVID-19大风行期间，DLS技能可以或许快速设计、扩大和临床陈设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答允格子NP拭子的多次迭代，包罗对人类的临床评估。 按照对近400例患者的临床研究，格子NP拭子与羊群拭子(来自COPA N)对比是等效的或更好的。 一个明明差异的物理布局-一个网状的球茎尖端和一个成群的棉签-被发明适合在鼻咽收集生物样本。KeystoneIndustries公司的Key Splint软透明质料被发明适适用作格子NP拭子，并证明与RT-PCR阐明要领兼容，以检测冠状病毒SARS-CoV-2。 利用碳的添加剂制造要领，DLS，以及正确的质料选择，这是大概的设计，临床验证，并推出I类，510(K)宽免体外诊断医疗设备在短短20天内。添加剂制造NP拭子呈现，以办理COVID19大风行带来的严重短缺。 相识这些数字设计的格子测试拭子的利益和缺点将需要在更多的节制，多中心的研究下进一步研究。 利用格子NP拭子的假阴性率较低是令人激昂的，但需要在更大的临床研究中举办查抄。 最近的事情表白（9）在疾病的差异阶段，鼻咽部位大概不是识别COVID-19阳性患者的最佳要领。 设计优化的拭子举办中涡轮或纳雷斯收集，并较量这些样本点的相瞄精确性是一个潜在的研究规模。 测试在这些较少的“侵入性”剖解部位的验证大概答允更好的病人体验和自我打点取样的潜力，有助于低落医疗事情者和病人的风险。质料和要领格子NP拭子是利用DLS技能在M2打印机(192毫米x120毫米xy构建区域与75微米像素巨细)上利用KeySplint软透明树脂3D打印。 格子NP拭子印刷在一个包装密度隔断约6毫米的中心，使448拭子在2小时30分钟内打印。 制造工艺说明是按照与Keystone家产公司的FDA510(K)提交K183598的KeySplint软透明树脂相关的利用适应症开拓的。 为了操作相应的生物相容性数据，在很洪流平上遵循了这些数据。 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，以最小化零件处理惩罚。 零件上的这一特性还包括了在很多制造和运输进程中可追溯性的独一标识符。 印刷后，用格子NP拭子清洗>97%异丙醇5分钟。 接下来，他们被留在氛围干燥30分钟。 一旦干燥，拭子在DrevePCU90后固化单位中在氮气惰脾性况下举办20分钟的紫外线固化，利用定制的夹具在UV室内堆放。 然后按照质量打算的要求对拭子举办查抄，然后将其单独包装在一个单独利用的可自动包装中，然后运往临床所在。晶格NP拭子灭菌后利用尝试室和临床测试面板举办测试，以按照已确定的指标确定机能，包罗力学机能（抗拉强度、扭矩、模仿利用)、收集效率(吸水率）、PCR兼容性和临床机能。机器机能用MTS测试仪(MTS超E43)测试格子NP拭子失效，以确定将格子灯胆尖端与手柄疏散所需的力。 这是为了确保格子的NP拭子可以或许遭受超出其在现场大概经验的力。 从实际的角度来看，很少有证据表白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，因为它将答允一个重要的安详系数，通过与粘液膜的彼此浸染，拭子将经验什么，以及一种可以公道预期的气力，在收集期间，由医疗事情者。 格子NP拭子被扭曲90°时，加载到MTS测试器的夹持器，并拉到妨碍。 这90°扭转的目标是袒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担当了25N以上，高出了ISO10993-5和-10子部件，它们对应于最大预期负荷的5倍。 为了相识NP拭子在收集进程中被缠绕时会碰着什么公道的力，并看看这种力是否会导致格子灯胆尖端与手柄疏散，NP拭子用扭矩测试仪举办了阐明。 用戴手套的手在手柄上施加旋转力，并丈量最大扭矩。 不行能对NP拭子施加高出2.7Nm的扭矩。 这种力不敷以将格子灯胆尖端与手柄疏散，所有样品都没有失效。为了进一步相识格子NP拭子的机能，开拓了一种模仿利用试验，该试验利用一段清晰、机动的“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环境下举办的（与利用矿物油对比）。 为了测试格子NP拭子，远端被插入油管，直到灯胆达到油管的弯曲，由夹具上的一个里程碑留意到。 在这个位置，拭子顺时针动弹5次，然后逆时针动弹5次，然后查抄是否断裂。 没有经验多次支柱妨碍的SWAB被视为通过。 本试验功效见表1。 别的，大量的格子NP拭子（每个>600个）在模仿利用中举办了工艺验证测试，并在第一个进程中调查到单一支柱断裂。 第一代样本平均可以到达10个转弯，而很多(N=20)第二代拭子在21个转弯（测试的上限）没有割裂。 功效如图2所示，表白这两种设计显然经得起更糟糕的案例测试。表1:机器测试功效和网状NP棉签吸水率图2:在工艺验证中，在模仿利用模子中测试了大量的样品(>600)。对样品举办了仔细监测，以发明单杆失效的第一个迹象。与第1代棉签对比，第2代棉签在第一次支柱失效前可以或许遭受险些两倍的转弯。利用三点弯曲夹具测试了格子NP棉签的弯曲力。将网格球头安排在两个牢靠的柱子上，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拭子的机动性获得了提高，使得网状拭子球头偏斜所需的力大大淘汰，这大概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别。当载荷浸染于球头时，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:点弯曲力丈量试验中第一代和第2代网状NP棉签的较量。第二代呆板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棉签的弯曲模式较量。当力浸染于棉签的顶端时，第一代棉签的回响是在灯胆下面的颈部弯曲。在第2代中，弯曲会合在拭子球中。收集效率NP拭子的主要目标是收集足够的排泄物，通过RT-PCR精确检测病毒颗粒。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)插手阐明刻度，然后将棉签的外貌完全袒露(转动)在水中。用重力法测定吸水率。第一代和第二代拭子可以或许接收最少50L的水,远远高出数量的水接收(16L)对传统报道NP聚积拭子(5)。PCR兼容性在这种应用中，除了适当的机器机能和收集效率外，最重要的是格型NP拭子不滋扰PCR检测。众所周知,拭子由天然纤维来历(cotton-tipped或海藻酸治疗)可以通过滋扰试验强烈绑定RNA / DNA阐明物或通过抑制酶回响测试试剂(6)。鉴于装有格子的NP拭子被用与PCR检测未知的兼容性的质料,他们和几个差异的阐明评估系统包罗试剂盒QIAsymphonySP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出产，该制造商切合所有合用礼貌，包罗质量体系礼貌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)宽免，在FDA注册的体外诊断医疗设备(#10050670)。网状NP棉签在利用前按照制造商的协议单独包装和高压灭菌(灭菌器范例:真空;预处理惩罚脉冲:4;温度:132摄氏度;全轮回时间:4分钟;干燥时间:30分钟)。凭据尺度方案举办抽汲。参加者首先用比较组的棉签拭子，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事恋人员和参加者。比较和试验NP拭子安排在单独的小瓶缓冲盐水中，利用尝试室开拓的SARS-CoV-2 RT-PCR检测要领举办检测，该要领已得到FDA紧张利用授权(EUA200036)。RT-PCR功效陈诉为阳性、阴性或不确定。为了计较Cohen’s Kappa(7,8)，假定植绒棉签为金尺度(尽量有报道称植绒棉签的精确性< 100%(4))。必需指出这是不太可取的临床基地消毒棉签在当地利用之前,然而有很多与航运pre-sterilized产物相关联的质量担保测试的时间倒霉于快速响应的配景下COVID - 19大风行。今朝正在开拓一种利用环氧乙烷灭菌的网状NP拭子，估量在2020年6月之前投入利用。1 Carbon, Inc.， Redwood City, CA2 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. 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(Seshadri)， and R.V.W.举办了观念化、观测、数据阐明和写作。I.B.,回堵, M.H.,文学士,开环上午,,广义相对论和K.S.协助观念化，尝试室观测，数据收集，阐明和写作。贝拉,参考书籍ct协助举办临床观测。所有作者都同意这份手稿。好处斗嘴:所有与Carbon相关的作者都获得了Carbon公司的赔偿，并拥有其股份。Resolution Medical的所有作者均得到Resolution Medical有限责任公司的赔偿，并拥有该公司的股权。—— 以上为论文全文 ——文章翻译分享，仅供进修交换，请勿用于贸易用途。关于CarbonCarbon致力于软件，硬件和分子科学的交错规模事情。我们的愿景是用CLIP（持续液体界面出产）大局限出产可追溯的最终质量零件。从网球鞋、电子设备等消费品，到家产部件，再到医疗设备，Carbon使产物设计师可以或许无限制的缔造的零件和产物。www.carbon3d.com关于SCRAT3D斯克莱特3D创新尝试室，以创新为手段，产物为前言，应用于可批量化智造的行业创新产物，致力于设计和智造人类真正需求的产物，为更多企业创新加快和赋能。致力于用技能和创新力缔造一个更有想象力的世界，冲破传统制造方法对付产物创新的扣留，使得设计、出产更具有自由度，以3D打印这一新型制造方法，构建无限大概的将来。实现3D打印的局限化应用，打造兼具定制化和批量化的新型制造模式和生态。www.scrat3d.com