Automatisch doseren van een viskeuze hydrogel

Geschikte oplossing ontwikkeld voor UPM Biomedicals

In het Festo LifeTech Application Centre werd een opstelling getest voor UPM Biomedicals om hun biocompatibele nanocellulose hydrogel automatisch te doseren.

UPM Biomedicals produceert een zeer biocompatibele hydrogel, GrowDex®, die onderzoekers wereldwijd in staat stelt om zich te richten op de ontwikkeling van actieve farmaceutische ingrediënten voor gebruik in mensen, terwijl er minder dierlijk materiaal wordt gebruikt. Om de cellen miniscule organen (organoïden en sferoïden) te laten vormen, hebben ze een vezelachtige omgeving nodig die de extracellulaire matrix van ons lichaam nabootst. Normaal gesproken wordt dierlijk materiaal gebruikt om deze 3D-kweekomstandigheden te creëren. GrowDex is een gebruiksklare hydrogel, die wordt verkregen uit berkenhout en daarom geen materiaal van dierlijke of menselijke oorsprong bevat.

De uitdaging: een viskeuze hydrogel uiterst nauwkeurig doseren met een nauwkeurig ventiel

GrowDex is thermisch stabiel bij temperaturen van 0° C tot meer dan 100° C, waardoor het ideaal is voor hoge doorzet automatisering en screening. GrowDex is een scheerverdunnend materiaal. Dit betekent dat de viscositeit verandert met de kracht die op het materiaal wordt uitgeoefend - bij hoge doseerdruk is het vloeibaar en zodra de druk wegvalt, stolt het materiaal en wordt het weer viskeus. Omdat de cellulose-nanovezels in het materiaal elkaar niet kruisen maar alleen verstrengelen, is het materiaal een echte hydrogel. Dit vereist speciale aandacht met betrekking tot het beheersen van de druk die wordt gegenereerd in het doseersysteem.

UPM Biomedicals benaderde daarom de experts van het Festo LifeTech Application Centre met het verzoek een haalbaarheidsanalyse uit te voeren voor het automatisch doseren van een afschuifverdunnende hydrogel. Het doel was om op betrouwbare wijze de gespecificeerde CV-waarden (variatiecoëfficiënt) te bereiken voor twee doelvolumes - 25 µl en 100 µl. Deze volumes zijn typisch voor het doseren in 96-wells en 384-wells microtiterplaten.

"We doseren vaak vloeistoffen op maat. Toen ik de GrowDex-hydrogel voor het eerst in de spuiten zag, wist ik dat het niet eenvoudig zou zijn om het te doseren - zelfs niet in verdunde vorm. Maar ik weet ook dat ons systeem veel mogelijkheden biedt om de juiste oplossing te vinden," zegt Festo Application Engineer Manuel Rausch.

De manier: producten en parameters variëren en optimaliseren

Festo vertrouwt op de drukgestuurde doseermethode voor geautomatiseerde Liquid Handling. Parameters zoals druk en openingstijd kunnen flexibel worden aangepast aan de eigenschappen van de vloeistof. Voor de test werden zowel de gebruikte Festo producten als de procesparameters gevarieerd, zoals mediumgescheiden ventielen, naalden, drukken en ventielopeningstijden.

Eerst werden de te testen GrowDex- of GrowDex-T-hydrogels manueel verdund met het DMEM-celkweekmedium en in een glazen fles met deksel gedaan. Een druk-vacuüm-generator (PGVA-1) werd gebruikt om de fles onder druk te zetten via een verbindingsslang. De VAEM-V ventielsturingsmodule regelt nauwkeurig het VYKB-F12 media-gescheiden ventiel om het verplaatste hydrogelmengsel in een doelvat te spuiten. De gedoseerde hoeveelheid werd gravimetrisch geregistreerd met een balans en gebruikt om de CV-waarde te analyseren.

Het VYKB-F12 ventiel en een naald met een grote interne diameter bleken de beste oplossing om de debietweerstand te minimaliseren. Het gekozen ontwerp maakte het ook mogelijk om de compacte PGVA-1 druk-/vacuümgenerator te gebruiken, waardoor er geen persluchtaansluiting in het laboratorium nodig is.

Succes: Het perfecte doseerproces voor GrowDex hydrogels

De technici van Festo ontwikkelden een samenstel van componenten waarmee GrowDex in een concentratie van 0,75% en GrowDex-T in een concentratie van 0,5% konden worden gedoseerd, elk gemengd met DMEM in een verhouding van 1:1. De CV-waarden lagen binnen de gespecificeerde tolerantie.

UPM kan er nu zeker van zijn dat haar GrowDex hydrogels automatisch kunnen worden toegediend voor gebruik in planten op maat - rekening houdend met een specifieke technische opstelling. "Automatisering kan nu een andere manuele stap vervangen en maakt 3D-celcultuur betrouwbaarder en sneller," zegt een opgetogen Piia Mikkonen van UPM.

Dit is onze gezamenlijke stap om het gebruik van dierlijk materiaal te verminderen en tegelijkertijd de betrouwbaarheid en herhaalbaarheid van 3D-kweekresultaten te verbeteren. Of het nu gaat om het screenen van medicijnen of regeneratieve geneeskunde, op maat gemaakte geautomatiseerde systemen zullen een belangrijke rol spelen bij het voldoen aan wettelijke vereisten.

Over de auteurs


Manuel Rausch
Application EngineerApplicatie-ingenieur
Festo Duitsland
Contact

Vesa Tomukorpi
Business Driver
Festo Finland
Contact

Wereldwijd, oplossingsgericht en netwerkgericht: LifeTech Application Engineering

Festo's LifeTech Application Engineering biedt de mogelijkheid om klanten wereldwijd te ondersteunen bij hun zoektocht naar oplossingen en voert haalbaarheidsstudies en parameteroptimalisatie, training, prototypebouw, inbedrijfstelling en installatie uit, evenals verduidelijking van de eisen van de klant voor nieuwe aanvragen. De application engineers daar hebben uitgebreide ervaring op het gebied van Liquid Handling, Motion en Liquid Control.

november 2023

Overzicht