UPM Biomedicals produziert ein hoch biokompatibles Hydrogel, GrowDex®, das es Forschern und Forscherinnen weltweit ermöglicht, pharmazeutische Wirkstoffe fokussiert für die Anwendung am Menschen zu entwickeln und dabei weniger tierisches Material zu verwenden. Damit die Zellen winzige Organe (Organoide und Sphäroide) bilden können, benötigen sie eine faserige Umgebung, die die extrazelluläre Matrix unseres Körpers nachahmt. Normalerweise werden tierische Materialien verwendet, um diese 3D-Kulturbedingungen zu schaffen. GrowDex ist ein gebrauchsfertiges Hydrogel, welches aus Birkenholz gewonnen wird und somit kein Material tierischen oder menschlichen Ursprungs enthält.
Die Herausforderung: Dispensieren eines viskosen Hydrogels mit extremer Genauigkeit durch ein präzises Ventil
GrowDex ist thermisch stabil bei Temperaturen von 0° C bis über 100° C und eignet sich dadurch ideal für die Automatisierung und das Screening mit hohem Durchsatz. GrowDex ist ein scherverdünnendes Material. Das bedeutet, dass sich die Viskosität mit der auf das Material ausgeübten Kraft ändert - bei hohem Dosierdruck ist es flüssig, und sobald der Druck aufgehoben wird, verfestigt sich das Material und wird wieder zähflüssig. Da sich die Nanofasern aus Zellulose im Inneren des Materials nicht vernetzen, sondern nur verschlingen, ist das Material ein echtes Hydrogel. Dies erfordert besondere Aufmerksamkeit hinsichtlich der Kontrolle des Drucks, der in dem Dispensiersystem erzeugt wird.
UPM Biomedicals wandte sich deshalb an die Experten des Festo LifeTech Application Centers mit der Bitte, eine Machbarkeitsanalyse für das automatisierte Dispensieren eines scherverdünnenden Hydrogels durchzuführen. Dabei galt es, die vorgegebenen CV-Werte (Coefficient of Variation) für zwei Zielmengen – 25 µl and 100 µl – sicher zu erreichen. Diese Volumina sind typisch für das Dispensieren in Mikrotiterplatten mit 96 und in 384 Vertiefungen.
„Wir dosieren oft kundenspezifische Flüssigkeiten. Als ich das GrowDex Hydrogel zum ersten Mal in den Spritzen sah, wusste ich, dass es nicht einfach sein würde, es zu dispensieren – selbst in verdünnter Form. Ich weiß aber auch, dass unser System sehr viele Möglichkeiten bietet, die passende Lösung zu finden“, erzählt Festo Application Engineer Manuel Rausch.
Der Weg: Produkte und Parameter variieren und optimieren
Beim automatisierten Liquid Handling setzt Festo auf die druckgesteuerte Dispensiermethode. Parameter wie Druck und Öffnungszeit lassen sich flexibel an die Eigenschaften der Flüssigkeit anpassen. Für den Test wurden sowohl die verwendeten Festo Produkte als auch die Prozessparameter variiert, wie zum Beispiel mediengetrennte Ventile, Nadeln, Drücke und Ventilöffnungszeiten.
Zunächst wurden die zu testenden Hydrogele GrowDex oder GrowDex-T manuell mit dem DMEM-Zellkulturmedium verdünnt und in eine Glasflasche mit Deckel gefüllt. Mit einem Druck-Vakuum-Generator (PGVA-1) wurde die Flasche über einen Verbindungsschlauch mit Druck beaufschlagt. Das Ventilsteuerungsmodul VAEM-V steuerte das mediengetrennte Ventil VYKB-F12 präzise an, um das verdrängte Hydrogelgemisch in ein Zielgefäß zu dispensieren. Mit einer Waage wurde die dispensierte Menge gravimetrisch erfasst und für die Auswertung des CV-Wertes herangezogen.
Das Ventil VYKB-F12 und eine Nadel mit großem Innendurchmesser erwiesen sich als die beste Lösung, um den Durchflusswiderstand gering zu halten. Durch den gewählten Aufbau war es außerdem möglich, den kompakten Druck-/Vakuumgenerator PGVA-1 zu verwenden, der einen Druckluftanschluss im Labor überflüssig macht.
Der Erfolg: Der perfekte Dispensierprozess für GrowDex Hydrogele
Die Applikationsingenieure von Festo entwickelten einen Aufbau aus Komponenten, der das Dispensieren von GrowDex bei einer Konzentration von 0,75% und GrowDex-T bei einer Konzentration von 0,5%, jeweils mit DMEM im Verhältnis 1:1 gemischt, ermöglichten. Die CV-Werte lagen innerhalb der vorgegebenen Toleranz.
UPM kann sich jetzt sicher sein, dass seine GrowDex Hydrogele für den Einsatz in kundenspezifischen Anlagen automatisiert dispensiert werden können – unter Berücksichtigung eines spezifischen technischen Setups. „Die Automatisierung kann nun einen weiteren manuellen Schritt ersetzen und macht die 3D-Zellkultur zuverlässiger und schneller", freut sich Piia Mikkonen von UPM.
Dies ist unser gemeinsamer Schritt auf dem Weg, den Einsatz tierischen Materials zu reduzieren und gleichzeitig die Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit der Ergebnisse der 3D-Kultur zu verbessern. Ob beim Wirkstoffscreening oder in der regenerativen Medizin - maßgeschneiderte automatisierte Systeme werden eine wichtige Rolle spielen, um die regulatorischen Anforderungen zu erfüllen.
Über die Autoren
Manuel Rausch
Application Engineer
Festo Deutschland
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Vesa Tomukorpi
Business Driver
Festo Finnland
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Global, lösungsorientiert und vernetzt: LifeTech Application Engineering
Das LifeTech Application Engineering von Festo bietet die Möglichkeiten, weltweit Kunden bei der Suche nach Lösungen zu unterstützen und übernimmt Machbarkeitsstudien und Parameteroptimierungen, Schulungen, Prototypenbau, Inbetriebnahmen und Installationen sowie die Klärung der Kundenanforderungen bei neuen Anfragen. Die dortigen Applikationsingenieure verfügen über umfangreiche Erfahrungen in den Bereichen Liquid Handling, Motion und Liquid Control.
