A new generation of monodisperse magnetic beads produced by advanced microtechnology methods.

Diagnostiske tester utgjør en viktig del av helsevesenet over hele verden, og tidlig diagnose er avgjørende for å redusere kostnader og spare millioner av liv hvert år. Covid 19 testing er et utmerket eksempel dette. Magnetiske Ugelstad-kuler markedsføres under navnet Dynabeads og produseres i Norge av Thermo Fisher Scientific. Dynabeads er en viktig bestanddel i diagnostiske tester i analysatorer i sykehus og er brukt i påvisning av alt fra infeksjonssykdommer og hormoner til biomarkører for kreft. Livsviktige avgjørelser vedrørende pasientbehandling baseres på disse testene. Den nåværende generasjon av magnetiske kuler har endel begrensninger i from av komplekse og tidkrevende produksjonsprosesser. I løpet av prosjekt-tiden har EU foreslåtte tiltak for å begrense utslipp av mikroplast. Tiltakene vil sansynligvis føre til at magnetiske partikler vil omfattes av krav til oppsamling og kontroll av utslipp. Thermo Fisher forventer derfor at markedet vil etterspørre partikler som ikke omfattes av restriksjonene. Ettersom innholdet av mikroplast i våre partikler har sin opprinnelse i Ugelstad teknologien er utvikling av ny teknologi, kompetanse og produksjonsmetode nødvendig for å lansere nye partikkel platformer. Sammen med nasjonale og internasjonalt ledende forskningspartnere og oppstartfirmaer har vi framstilt magnetiske kuler som er kompatible med de nye kravene fra ECHA. Vi har arbeidet med tre nye platformer. En av disse har gitt utmerkede resultater innenfor både protein og nukleinsyreisolering og vi planlegger lansering av den nye partikkelplatformen som bedriftens nye miljøvennlige alternativ. En annen platform har gitt monodisperse bærekraftige produkter, meget rask isoleringstid og tilfredstillende resultater i in vitro immunodiagnostikk. Platformen krever likevel mer utvikling før det tas beslutning om lansering av nye produkter og dette arbeidet vil forsette etter at den forskningsrådstøttede delen av prosjektet er avsluttet. En tredje teknisk løsning er stanset.

Increased knowledge about magnetic bead design outside of the Ugelstad method we have used until now. Through the collaboration with iSpheres and own work, Thermo Fisher has gained knowledge about microfluidics: the advantages but also the challenges. Specific learning about droplet formation, flow and droplet stability, but also magnetic beads resulting from such a process, compatibility with starting and raw materials, glass chip design, production and cost. Knowledge about biodegradability of polymers and chemicals and methods to measure biodegradability. Detailed knowledge about self assembling nanocluster and how to coat them. Sintef has gained knowledge around biocompatible chemical coatings and in vitro diagnostics requirements for non-specific adsorption. The anticipated future impact is the launching of a green, polymer free magnetic bead product line with significantly lower production cost protein capacity, and nucleic acid isolation yield.

Magnetic beads are easy to automate and are the preferred solution for in vitro diagnostic analyzers in hospital and centralized labs worldwide. Dynabeads produced by Life Technologies are the leading solid support and 2,5 billion blood samples are annually analyzed using Dynabeads. Major decisions regarding treatment of patients are based on these analyses. Improvement of Dynabeads will therefore improve health care worlwide. Dynabeads are based on the famous Ugelstad invention from 1985 and are still the leading magnetic bead technology, but have design challenges that are difficult to overcome without using new advanced technologies. Three serious drawbacks of Ugelstads hydrophobic porous styrene beads are: 1) hydrophobic interaction even after coating with a hydrophilic polymer 2) the relatively large variation of the surface area after polymer coating of the beads 3) high autofluorescence caused by the use of aromatic styrene based monomers. Microchannel emulsification have the advantage that all components including the magnetic material may be mixed before emulsification, avoiding a high number of consecutive reactions in bead production. The devices may have more than 1000 channels that produce beads continuously for months. The microchannel emulsification yields compact beads with a high surface area reproducibility and acrylate monomers may be used to avoid autofluorescence. Since the iron is embedded in the polymer, iron oxide interference is avoided. The second tehcnical solution is an inverse Ugelstad process. Here water soluble monomers can be used in a water-in-oil process to produce hydrophilic monosized beads that may be further magnetized and coated to avoid hydrophobic interference. The two above technologies require development of new competence and funding by the Norwegian Research Council will enable research collaboration with SINTEF and École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles in Paris. Pelitex inc have developed a new stable magnetic material based on magnetic iron instead of iron oxide. The material is more magnetic than iron oxide and may enable us to produce smaller beads than we do today.