Ingenieure für Biomedizin der North Carolina Duke University haben den 3D-Druck zur Herstellung des Diagnostikgerätes „D4 Assay“ eingesetzt. Mit diesem Gerät können binnen 15 Minuten aus einem einzigen Tropfen Blut erste Anzeichen für Krankheitserreger erkannt werden.

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Die Forscher der North Carolina Duke University nutzten den 3D-Druck zur Fertigung des Diagnosegerätes D4 Assay (D4 Test), mit dem aus einem Tropfen Blut Anzeichen verschiedener Krankheiten ausgelesen werden können. Das Gerät besteht aus einem inkjet-gedruckten Array von Antikörpern und einem 3D-gedruckten Zusatzgerät, das an Smartphones angeschlossen werden kann.

Natürlich gibt es verschiedene Möglichkeiten, Krankheiten zu testen. Das Vorhandensein bestimmter Antigene, die sich im Blut nachweisen lassen, ist eines der klarsten Anzeichen dafür, dass etwas im Körper nicht stimmt. Deshalb haben die Duke Forscher ein „Labor auf einem Chip“ entwickelt, mit dem schon niedrige Antigene erkannt werden können. Es umfasst auch Einstellungen, die auf Standard-Labor-Prüfgeräten nicht vorhanden sind.

Bestandteile des D4 Assays
Hier sehen Sie den Aufbau des D4 Assay Gerätes. (Bild: © Duke University)

In einer auf dem Internetportal Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Studie, die dort kostenpflichtig heruntergeladen werden kann, erklären die Forscher der Duke University, dass das D4 Assay wesentlich schneller als andere Geräte arbeite, ohne dass die Empfindlichkeit oder Genauigkeit darunter leiden. In nur 15 Minuten kann das Gerät Biomarker für Krankheiten identifizieren, auch wenn normalerweise längere Inkubationszeiten notwendig sind. Die vom Gerät gesammelten Informationen können mit einem Tabletop-Scanner oder einer 3D-Smartphone-App, mit der die Onboard-Kamera des Handys verbessert wird, leicht eingelesen werden.

„Der D4 Assay ermöglicht es uns, leistungsstarke Diagnosetests mit minimalen Ressourcen durchzuführen und damit eine vielversprechende Plattform für den Zugang zu sensiblen und quantitativen Diagnosewerkzeugen zu schaffen“, so Angus Hucknall, Co-Autor der Studie.

Mit dem D4 Assay kann ein Zielprotein in einer Blutprobe dedektiert und erfasst werden. Es enthält sowohl immobilisierte „Capture“-Antikörper als auch lösliche Antikörper zur Detektion, welche mit einem Fluoreszenzmarker versehen sind. So wird ersichtlich, welche Antigen-Menge vorhanden ist. Wird ein Tropfen Blut auf den Schieber des D4 Assays gegeben, lösen sich die Nachweis-Antikörper auf, trennen sich vom Array und binden die Proteine. Diese Antikörper-Protein-Paare werden mit dem fluoreszierenden Marker beleuchtet und haften an den „Fang-Antikörpern“, welche auf der Folie verbleiben.

Glasschieber mit Teflonbeschichtung, Wachsgitter und Antikörper-Array
Dieser Prototyp eines Glasschiebers wurde mit einer teflonartigen Antihaft-Polymerbeschichtung versehen, die dann wiederum mit einem Wachsgitter bestrichen wurde. In einem Quadrat befindet sich ein gedrucktes Antikörper-Array, mit dem Moleküle im Blut erkannt werden. (Bild: © Duke University)

Bereits vorhandene diagnostische Tests wie beispielsweise ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay), das zur Erkennung der Zika- und HIV-Erkrankung genutzt wird, ähneln dem D4 Assay. Bei Letzterem werden jedoch die Antikörper-Reihen auf eine neuartige Polymer-Bürsten-Beschichtung gedruckt, welche teflonartige Eigenschaften aufweist. Somit wird verhindert, dass unerwünschte Proteine an der Folie anhaften.

„Die wirkliche Bedeutung des Assays ist die Polymer-Bürsten-Beschichtung“, so Ashutosh Chilkoti, Vorsitzender der Abteilung für Biomedizintechnik der North Carolina Duke University und Senior-Autor der Studie. „Die Polymer-Bürste erlaubt uns, alle Werkzeuge zu speichern, die wir auf dem Chip brauchen – unter Beibehaltung eines einfachen Designs.“

Gegenüber ELISA soll der D4 Assay eine Reihe von Vorteilen bieten. Der Schieber lässt sich einfach reinigen, ein komplizierter Prozess ist nicht notwendig. Das Gerät ist zudem tragbar, die vorhandenen Antikörper müssen während des Transports auch nicht gekühlt werden. Die an der Studie beteiligten Forscher schätzen, dass die Herstellung der D4 Chips weniger als einen US-Dollar kosten wird. Das mittels 3D-Druck hergestellte Smartphone-Zusätzgerät wird wahrscheinlich etwa 30 US-Dollar kosten, wenn es in Serie produziert wird.

Als Nächstes soll das D4 Assay in Liberia getestet werden. Hier soll es dabei helfen, Behandlungsstrategien gegen Unterernährung zu planen und zu überwachen.

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