3D geprinte point-of-care diagnostiek gedreven door capillaire stroming

Gezondheidszorg heeft een prominente rol in de samenleving aangezien het het algemene fysieke en mentale welzijn van de mens bevordert en ook bijdraagt aan de economie, ontwikkeling en industrialisatie van een land. Door de eeuwen heen is gezondheidszorg geëvolueerd van huismiddeltjes naar het verlenen van gezondheidsdiensten vanuit centra zoals ziekenhuizen, die zowel aan behandeling en aan onderzoek doen. Echter is deze zorg niet toegankelijk of betaalbaar voor iedereen en zijn er nog talrijke onopgeloste medische uitdagingen, zowel in hoge- als lage-inkomenslanden (HIL en LIL). Aangezien HIL al uitgebreide gezondheidszorgsystemen ter beschikking hebben, is er daar vooral potentieel in het bevorderen van gepersonaliseerde gezondheidszorg (b.v. gedecentraliseerde therapeutische geneesmiddelenbewaking (TGB)), het analyseren van big data, nieuwe wetenschappelijke ontwikkelingen, enz. LIL daarentegen zouden het meeste voordeel halen uit oplossingen die compenseren voor hun beperkte infrastructuur, zoals gedecentraliseerde zorg buiten gespecialiseerde labo’s en ziekenhuizen.

In beide gevallen is gedecentraliseerd testen dicht bij de patiënt, op een betaalbare, gebruiksvriendelijke, robuuste en snelle manier, van grote waarde. Dit wordt ook point-of-care (POC) testen genoemd, en men doelt hiermee op het verder bevorderen van de levenskwaliteit van de patiënt door middel van snelle en effectieve behandeling gebaseerd op het precieze ziektepatroon op dat moment. Hoewel een breed scala aan POC testen bestaan, gaande van eenvoudige teststrips tot digitale apparaten (b.v. draagbaar of geconnecteerd met een smartphone), zijn deze vooral beschikbaar voor simpelere metingen die niet geschikt zijn voor alle toepassingen. Daarom is het aantal commercieel beschikbare oplossingen voor complexe testen zeer beperkt. Lab-op-een-chip (LOC) technologie kan hier een oplossing bieden door integratie en automatisering van complexe analytische technieken, die normaliter worden toegepast in een laboratoriumomgeving, op een compacte chip. Hoewel LOC veelvuldig wordt onderzocht voor POC testen, blijft de toepasbaarheid op het terrein beperkt vanwege omvangrijke randapparatuur en kostelijke en complexe chipproductie. Daarom kunnen we spreken van een tegenstelling tussen innovatief onderzoek en de gelimiteerde ontwikkeling ervan naar commerciële producten.

Het doel van deze thesis was om in dit kader innovatieve technologische oplossingen te ontwikkelen voor een nieuwe generatie van capillair-aangedreven microfluïdische chips, en hierop complexe biologische testen te integreren om hun gebruik in een POC omgeving te toetsen. Dit onderzoek werd verdeeld in twee delen die elk focusten op een verschillende technologie om deze zelfaangestuurde microfluïdische chips te fabriceren.

Eerst werd 3D-printen onderzocht als nieuwe methode om capillair- aangedreven microfluïdische testen te fabriceren voor POC diagnostiek in LIL. Hiervoor werd een binder-jetting 3D-printer aangepast met bio- compatibel poeder en bindmiddel om poreuze cassettes te produceren die hun functionaliteit danken aan precieze ruimtelijke controle van hun interne oppervlaktechemie, waarbij een hydrofiel kanaalnetwerk werd gecreëerd in een hydrofobe matrix. De macroscopische eigenschappen van het geprinte materiaal en de capillaire stroom erin werden bestudeerd om de vloeistofstromen in het poriënnetwerk te begrijpen. De mogelijkheden van de technologie werden aangetoond door het implementeren van een IgE ELISA als proof-of-concept, waarin deze meerstapstest eerst geoptimaliseerd werd voor ge-3D-printe kanalen en dan geïntegreerd werd op twee verschillende testontwerpen. Waar het eerste ontwerp gebruik maakte van signaalamplificatie met alkalische fosfatase resulterend in een immobiel reactieproduct, gebruikte het tweede ontwerp mierikswortelperoxidase resulterend in een oplosbaar reactieproduct om de uitleestijd en detectielimiet van het eerste ontwerp te verlagen. Hier werd het potentieel van de technologie aangetoond als schaalbare methode om POC testen op aanvraag te fabriceren in LIL.

In het tweede deel werd de intern ontwikkelde (i)SIMPLE technologie onderzocht om complexe testen uit te voeren specifiek om adalimumab (ADM) te detecteren in POC TGB. Hiervoor werden zowel glasvezel oppervlakteplasmonresonantie (FO-SPR) en colorimetrische uitlezing met een draagbare reflectometer gebruikt. Bij de eerste methode werd een vijfstaps ELISA geconverteerd in een eenstaps FO-SPR test, welke dan voor het eerst geïntegreerd werd op een (i)SIMPLE cassette met 1:19 mengen van plasma met reagentia en FO-SPR uitlezing. Bij de tweede methode werd die vijfstaps ELISA afgeschaald naar snelle detectie in lage staalvolumes om aan POC vereisten te voldoen. Deze test werd dan geïmplementeerd op een ELISA module die alle stappen en incubaties automatisch uitvoerde na een enkel activatie. Daarnaast werd een

plasmaferese module toegevoegd om staalvoorbereiding van bloed naar plasma te integreren op het platform. Al deze nieuwe functionaliteiten zoals staalvoorbereiding en verschillende uitleesmethodes hebben de mogelijkheden van het (i)SIMPLE platform aangetoond om complexe meerstapstesten uit te voeren in een POC setting.