UPM Biomedicals produce un idrogel altamente biocompatibile, GrowDex®, che consente ai ricercatori di tutto il mondo di concentrarsi sullo sviluppo di principi farmaceutici attivi da utilizzare nell'uomo, impiegando una minore quantità di materiale animale. Affinché le cellule possano formare piccoli organi (organoidi e sferoidi), necessitano di un ambiente fibroso che imiti la matrice extracellulare del nostro corpo. Normalmente, per creare queste condizioni di coltura 3D si utilizzano materiali animali. GrowDex è un idrogel pronto all'uso, ottenuto da legno di betulla e di conseguenza non contiene materiali di origine animale o umana.
La sfida consiste nell'erogare un idrogel viscoso con estrema accuratezza utilizzando una valvola di precisione
GrowDex è termicamente stabile a temperature comprese tra 0 °C e oltre 100 °C, il che lo rende ideale per l'automazione e lo screening ad alta produttività. GrowDex è un materiale che si assottiglia al taglio. Ciò significa che la viscosità varia con la forza esercitata sul materiale: ad alta pressione di erogazione è liquido, ma non appena la pressione viene incrementata, il materiale si solidifica e diventa nuovamente viscoso. Poiché le nanofibre di cellulosa all'interno del materiale non entrano in contatto ma si intrecciano solamente, il materiale è un vero e proprio idrogel. Ciò richiede un'attenzione particolare per ciò che riguarda il controllo della pressione generata nel sistema di erogazione.
UPM Biomedicals si è quindi rivolta agli esperti del Festo LifeTech Application Center con la richiesta di effettuare un'analisi di fattibilità per l'erogazione automatizzata di un idrogel che si assottiglia al taglio. L'obiettivo era ottenere in modo affidabile i valori di CV (Coefficient of Variation) specificati per due volumi target: 25 µl e 100 µl. Questi volumi sono tipici per l'erogazione in piastre per microtitolazione da 96 e 384 pozzetti.
"Spesso eroghiamo liquidi personalizzati per il cliente. Quando ho visto per la prima volta l'idrogel GrowDex nelle siringhe, ho capito che non sarebbe stato facile erogarlo, nemmeno in forma diluita. Ma so anche che il nostro sistema offre molte possibilità per trovare la soluzione giusta", afferma Manuel Rausch, Application Engineer di Festo.
La strada è variare e ottimizzare prodotti e parametri
Festo si affida al metodo di erogazione a pressione controllata per la manipolazione automatizzata dei liquidi. Parametri come la pressione e il tempo di apertura possono essere adattati in maniera flessibile alle proprietà del liquido. Per il test sono stati variati sia i prodotti Festo utilizzati sia i parametri di processo, come ad esempio le valvole separate dai fluidi, gli aghi, le pressioni e i tempi di apertura delle valvole.
In primo luogo, gli idrogel GrowDex o GrowDex-T da testare sono stati diluiti manualmente con il fluido di coltura cellulare DMEM e versati in una bottiglia di vetro dotata di coperchio. Un generatore di vuoto (PGVA-1) è stato utilizzato per pressurizzare la bottiglia tramite un tubo di collegamento. Il modulo di comando della valvola VAEM-V ha controllato con precisione la valvola VYKB-F12 separata dal fluido, al fine di erogare la miscela di idrogel spostata in un recipiente di destinazione. La quantità erogata è stata registrata gravimetricamente con una bilancia e utilizzata per analizzare il valore CV.
La valvola VYKB-F12 e uno spillo dal grande diametro interno si sono rivelati la soluzione migliore per ridurre al minimo la resistenza al flusso. La struttura selezionata ha inoltre permesso di utilizzare il generatore di pressione/vuoto compatto PGVA-1, che elimina la necessità di un attacco di alimentazione dell'aria compressa nel laboratorio.
Il successo: il processo di erogazione perfetto per gli idrogel GrowDex
Gli ingegneri applicativi di Festo hanno sviluppato una struttura di componenti che ha permesso di erogare GrowDex a una concentrazione dello 0,75% e GrowDex-T a una concentrazione dello 0,5%, ciascuno miscelato con DMEM in un rapporto di 1:1. I valori di CV rientravano nella tolleranza specificata.
UPM è ora in grado di garantire che i suoi idrogel GrowDex possano essere erogati automaticamente per l'impiego in impianti personalizzati, tenendo conto di una specifica configurazione tecnica. "Adesso l'automazione può sostituire un'altra fase manuale e rende la coltura cellulare 3D più affidabile e veloce", afferma entusiasta Piia Mikkonen di UPM.
Questo è il nostro passo comune verso la riduzione dell'uso di materiale animale e il miglioramento dell'affidabilità e della ripetibilità dei risultati delle colture 3D. Che si tratti di screening di principi attivi o di medicina rigenerativa, i sistemi automatizzati su misura svolgeranno un ruolo importante nel soddisfare i requisiti normativi.
Globale, orientata alle soluzioni e collegata in rete: LifeTech Application Engineering
LifeTech Application Engineering di Festo offre l'opportunità di supportare i clienti di tutto il mondo nella ricerca di soluzioni e si occupa di studi di fattibilità e ottimizzazione dei parametri, formazione, costruzione di prototipi, messa in servizio e installazione, nonché di chiarire i requisiti dei clienti per le nuove richieste. Gli ingegneri applicativi in loco hanno una vasta esperienza nei settori del Liquid Handling, Motion e Liquid Control.
