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Automatisierte Kultivierung von Stammzellen

Vollautomatisierte Plattform

Diese Herausforderungen soll nun die Stemcelldiscovery lösen – eine vollautomatisierte und geschlossene, aber flexibel agierende Plattform für die Kultivierung von Stammzellen. Hier werden MSCs vermehrt und erforscht, außerdem werden verschiedene Laborprozesse durchgeführt – von der Kultivierung der Zellen bis zur Generierung experimenteller Daten. Entscheidende Erfolgsfaktoren der Anlage sind die leichte Integrierbarkeit aller Geräte, die gleichmäßige, präzise Reproduzierbarkeit der Abläufe, eine individuelle, modulare Steuerung der Prozesse, die hohe Qualität der Zellprodukte sowie die Integration und Weiterentwicklung der Messtechnik zur Qualitätssicherung und Analyse. Eine zentrale Funktion in der Anlage übernimmt dabei der Roboter. Er fungiert als flexible Handling-Einheit für alle Transporte innerhalb der Plattform, so transportiert er Zellkulturen in Multiwell-Platten und Falcon Tubes zwischen den einzelnen Prozessier- sowie Messgeräten und erlaubt eine hochpräzise Positionierung derselben. Diese Genauigkeit ist insbesondere am Mikroskop wichtig, wo das Zellkulturgefäß zusätzlich vom Roboter umgriffen wird, um dieses in die dafür vorgesehene Halterung einzusetzen. Die Flexibilität des Roboters bewährt sich auch bei der Ressourcenbereitstellung, wie dem Transportieren von Pipettenspitzen vom Magazin zur Liquid Handling Unit. Darüber hinaus übernimmt der Roboter alternativ das Shaken der Kulturen: Hierbei kommt es auf eine gleichmäßige und reproduzierbare Umsetzung an. So schwenkt der Roboter die Zellprodukte stets mit derselben Geschwindigkeit und Bewegung – ein entscheidender Faktor, denn durch ungleichmäßige Bewegung passiert es unter Umständen, dass Zellen sich an den Rändern des Gefäßes festsetzen und so zu einem veränderten Wachstum führen.

Eine zentrale Funktion in der Stemcelldiscovery-Anlage übernimmt ein VS-087-Roboters von Denso. (Bild: Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT)

Flexibler Roboter

Um die manuellen Prozessschritte auf der automatisierten Anlage abzubilden, war die Integration verschiedener Geräte in die Anlage notwendig. Die Auswahl der Geräte stand lange vor der Software-Entwicklung fest, sodass vor allem auf eine flexible Integration zu achten war. Die Forschergruppe entschied sich für den Roboter, weil er sich leicht integrieren und programmieren lässt. Nicht zuletzt war die Reinraumtauglichkeit ausschlaggebend. Aufgrund der kompakten Bauweise des Roboters ließ sich eine platzsparende Anlage einrichten. Der hierfür entwickelte Multifunktionsgreifer lässt sich durch die Roboterkinematik an jeden Ort der Anlage bewegen und erlaubt ein Höchstmaß an Präzision. Die Stemcelldiscovery basiert auf dem Zusammenspiel unterschiedlicher Geräte, sodass die flexible Steuerung eine entscheidende Rolle spielt. „Uns war eine hohe Flexibilität des Gesamtsystems wichtig“, berichtet Sven Jung, wissenschaftlicher Mitarbeiter des Projektes und für die Programmierung zuständig. „Deshalb haben wir eine dienstbasierte, flexibel konfigurierbare Prozess-Software entwickelt, die alle Abläufe kontrolliert und adaptiv auf diese reagiert, wie z.B. beim Wachstum der Zellen.“ Die parametrisierbaren Dienste werden über ein Integration Framework aus allen Geräten extrahiert und ermöglichen eine modulare Ausführung von Prozessschritten – je nach Bedarf.

Automatisierte Kultivierung von Stammzellen
Die Stemcelldiscovery ist eine vollautomatisierte und geschlossene, aber flexibel agierende Plattform für die Kultivierung von Stammzellen. (Bild: Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT)


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