世艾:3D打印精密零部件助力微流体核酸检测仪研发

2021-02-03 10:52
上海世艾生物科技有限公司(以下简称“世艾”)是生物检测领域的创业型公司,公司致力于研发领先的并且具有自主知识产权的高端生命科学检测产品。现在,世艾正运用3D打印技术,实现微流体相关的高端生命科学检测产品研发,而便携式核酸检测仪就是研发的重中之重。


世艾前台门头




01
疫情之下,核酸检测仪催生
微流体技术的研发


全球新冠疫情的突然而至和令人震惊的上升突显了快速的疾病检测的重要性。测试疾病的能力不仅可以更好地控制疾病以防止进一步扩散,还可以使流行病学家收集更多信息,以更好地理解原本看不见的神秘威胁。从揭示的传播途径到增加的感染率,全球范围内已经意识到检测传染病的重要性。而世艾正是因此萌生了制作便携式核酸检测仪的初衷。


常态化疫情防控下的检测痛点 

现有的核酸检测仪大多庞大笨重,需要在特定的场合、地点来完成检测试验,位移难度较大。正是基于此,世艾创新性研发了可以灵活布局的便携式核酸检测仪,期许让检测不局限于特定的时间地点,可以随时随地灵活完成


世艾研制的大而笨重的初代核酸检测仪

世艾的万老师介绍道,世艾研发的便携式核酸检测仪,其中的核心技术就是“微流体”。“微流体技术是研究可以通过使用微小尺寸的微小通道(通常为几十到几百微米)来处理少量流体的技术。虽然这项技术还处于发展阶段,但是微流体技术正迅速成为一项突破性技术,可应用于从生物学、化学到信息技术和光学等各个领域。”


世艾研制的便携式核酸检测仪

要将已有的检测设备便携化,更要实现满足微流体检测设备的诸多要求,则不得不谈对精密零部件的制造,而世艾也因此走了不少弯路。


制造精密部件的不同尝试均不甚满意

早期,世艾采用的是CNC加工制造零部件,但由于涉及到微孔加工,价格高不说,精度准度也打上了问号。“由于便携式核酸检测仪是以前没有过的项目,所以零部件很可能需要多次更新迭代,而用CNC加工的方式,必须做到一次成型,这意味着很难反复修改。长此以往,研发周期过长,还不一定能有满意的效果。”万老师如是表示。


红框内箭头所指物体为需要3D打印的连接器

随后,世艾还采购了FDM的设备,该设备打印仪器外壳还好,但是,在打印精密零部件的尺寸精度方面却捉襟见肘。而针对手头的预算,世艾亦无法采购价格超百万的“微纳”3D打印机,于是经过多方探寻比较,世艾最终选定了Rayshape的设备。




02
微流体技术与
Rayshape 3D打印的融合
满足仪器迭代设计


我们现在研制的检测仪连接器的孔径是360微米,这是用Rayshape定制的FG 1- 32.5μm(FG 1后续升级为P200系列)的3D打印机所打印出来的,效果比我们想象的要好很多。”


黑色大机体为世艾采购的
Rayshape定制设备实拍

Rayshape可以根据需求定制小光斑尺寸的设备机型,此外,Rayshape的高性能材料作为辅助,兼具精度、强度与韧性,足以实现高精细微小的打印需求。


Rayshape 3D打印的高精度催化剂载体

Rayshape提供的解决方案,与传统研发相比,不仅降低了成本,更节约了研发迭代的时间。”万老师表示,微流体技术非常有用,因为它允许将生化应用从实验室庞大设置缩减到便携式格式而Rayshape的3D打印可以创造出新一代智能、响应灵敏的自主设备,能够以复杂的方式对环境进行感知和采取行动,并减少人为干预。


3D打印的芯片槽

当用于创建具有功能操作的芯片时,Rayshape 3D打印优于传统制造方法的好处变得明显:“直接打印原件的做法对于原件设计具有前所未有的优势,由于Rayshape 3D打印允许对各种设计进行快速测试、适配和快速原型制作,因此加快了设备开发的进程。




03
打印微流体零部件的
成本核算


微流体连接器零部件在世艾没有采购3D打印机之前是使用外发CNC加工的,因为孔径细,样件小,对微孔加工的要求就很高。


CNC加工的零件与3D打印的零件对比


3D打印样件对比1元钱硬币

这就导致了单个连接器的成本在上百元之多,大大超出了预算。为此,使用Rayshape 3D打印在精度零件方面的作用就变得非常有价值:
  • 单个成本效用价值明显
  • 打印多个的小批量生产与打印单个所耗费的成本时间相同
  • 无需一次一体成型,方便研发迭代
  • 研发周期大幅缩短


成本对比

而一台便携式设备仪器上拥有至少8个连接器,折算下来一台设备节省了将近1000元,在研发时间上也能缩短一周左右的时间。这些客观的数据都足以证明,世艾使用Rayshape的3D打印设备,其研发成本和周期大幅度缩减,使得产品迭代变得快速,研发人员的效率有了稳步提升。




04
P200系列的特性


不单单是世艾采购的这款Rayshape设备,整个P200系列在保证高精度的前提下,均提供了一定的定制化性能——支持光斑尺寸定制服务。其光斑尺寸可在 32.5  μm 至 65 μm 之间定制,用于超高打印精度,可轻易实现100μm级别的细节再现。


Rayshape 3D打印在显微镜下的效果

不仅如此,P200 系列采用进口工业级 DLP 光机,畸变极小,光均匀度高,光衰极低,且可承受 7*24小时的生产级使用强度,可满足批量化生产的需求。

高性能专用光敏树脂,结合超小光斑的定制 DLP 光机,使P200 系列 DLP 3D 打印机适合用于高性能精密器件的直接制造。此外,P200 系列的成型仓内置大功率热风加热系统,可以在 10 分钟内将成型仓的温度加热至 60℃


Rayshape P200系列设备

纵观P200的打印特性,这些均可为医疗器械、精密电子、科研院所等行业与企业带来全新机遇。




05
3D打印搭载微流体在
医疗产品便携化、智能穿戴化
方面的市场机遇


3D打印技术在微流体领域的现在和未来影响是不可忽视的。由于承接了3D打印的固有特征,微流体设备的开发就已经变得无限,涉及诸如体系结构、尺寸和生产设备的数量等因素。所有这一切目前都可以通过3D打印及其高度自动化的制造工艺实现,这种工艺可以实现同样无限的再现性和可定制性。

现如今,传统医疗器械行业纷纷借助移动互联网的迅猛发展将智能化设备与互联网紧密结合,正在实现智能化医疗服务,逐步减轻挂号难、看病难等诸多医疗问题。而且随着5G网络服务的不断完善,移动互联网的各方面功能也会越来越成熟。相信随着社会的不断进步,医疗器械行业向便携化、智能化发展是趋势,而实现这一路径的关键便是精细化3D打印。

可以说Rayshape为疫情防控是做出了重要贡献的。”万老师表示,未来,世艾希望与Rayshape展开更加深度的合作,共同研发更高精细度的3D打印机用于高端生命科学相关的检测产品,从而适配更加精密的打印需求,为推动3D技术普惠以及流行病的防控检测尽一份力。

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