UPM Biomedicals produit un hydrogel hautement biocompatible, GrowDex®, qui permet aux chercheurs du monde entier de développer des substances pharmaceutiques actives de manière ciblée pour une utilisation chez l’homme, tout en utilisant moins de matières d’origine animale. Pour que les cellules puissent former de minuscules organes (organoïdes et sphéroïdes), elles ont besoin d’un environnement fibreux qui imite la matrice extracellulaire de notre corps. Normalement, des matières animales sont utilisées pour créer ces conditions de culture en 3D. GrowDex est un hydrogel prêt à l’emploi, obtenu à partir de bois de bouleau et ne contenant donc aucune matière d’origine animale ou humaine.
Le challenge : distribuer un hydrogel visqueux avec une précision extrême grâce à un distributeur précis
GrowDex est thermiquement stable à des températures allant de 0°C à plus de 100°C, ce qui le rend idéal pour l’automatisation et le criblage à haut débit. GrowDex est un matériau aminci par cisaillement. Cela signifie que la viscosité varie en fonction de la force exercée sur le matériau, lorsque la pression de dosage est élevée, le matériau est liquide, et dès que la pression est relâchée, le matériau se solidifie et redevient visqueux. Comme les nanofibres de cellulose à l’intérieur du matériau ne se réticulent pas, mais s’enchevêtrent, le matériau est un véritable hydrogel. Cela nécessite une attention particulière en ce qui concerne le contrôle de la pression générée dans le système de distribution.
UPM Biomedicals s’est donc adressé aux experts du centre d’application Festo LifeTech en leur demandant de réaliser une analyse de faisabilité pour la distribution automatisée d’un hydrogel qui amincit par cisaillement. Il s’agissait d’atteindre avec certitude les valeurs CV (Coefficient of Variation) prescrites pour deux quantités cibles : 25 µl et 100 µl. Ces volumes sont typiques de la distribution en plaques de microtitration de 96 et 384 puits.
« Nous dosons souvent des liquides spécifiques au client. Lorsque j’ai vu l’hydrogel GrowDex pour la première fois dans les seringues, je savais qu’il ne serait pas facile de le distribuer, même sous forme diluée. Mais je sais aussi que notre système offre de très nombreuses possibilités pour trouver la solution adéquate », explique Manuel Rausch, ingénieur d’application chez Festo.
La solution : varier et optimiser les produits et les paramètres
Pour la manipulation automatisée des liquides, Festo mise sur la méthode de distribution commandée par pression. Les paramètres tels que la pression et le temps d’ouverture peuvent être adaptés de manière flexible aux propriétés du liquide. Pour le test, on a varié aussi bien les produits Festo utilisés que les paramètres du processus, par exemple les distributeurs à séparation de fluide, les aiguilles, les pressions et les temps d’ouverture des distributeurs.
Tout d’abord, les hydrogels GrowDex ou GrowDex-T à tester ont été dilués manuellement avec le milieu de culture cellulaire DMEM et versés dans un flacon en verre avec couvercle. Un générateur de vide et de pression (PGVA-1) a permis de mettre la bouteille sous pression via un tuyau de raccordement. Le module de commande de distributeur VAEM-V a commandé avec précision le distributeur à séparation de fluide VYKB-F12 afin de distribuer le mélange d’hydrogel déplacé dans un récipient cible. La quantité distribuée a été enregistrée par gravimétrie à l’aide d’une balance et a servi à l’évaluation de la valeur CV.
Le distributeur VYKB-F12 et une aiguille de grand diamètre intérieur se sont avérées être la meilleure solution pour maintenir une faible résistance au débit. La structure choisie a également permis d’utiliser le générateur de pression/vide compact PGVA-1, qui rend superflu tout raccord d’alimentation dans le laboratoire.
Le succès : le processus de distribution parfait pour les hydrogels GrowDex
Les ingénieurs d’application de Festo ont développé un ensemble de composants permettant de distribuer GrowDex à une concentration de 0,75 % et GrowDex-T à une concentration de 0,5 %, tous deux mélangés avec du DMEM dans un rapport 1:1. Les valeurs CV se situaient dans la plage de tolérance prescrite.
UPM peut désormais être sûr que ses hydrogels GrowDex peuvent être distribués de manière automatisée pour une utilisation dans des installations spécifiques au client, en tenant compte d’une configuration technique spécifique. « L’automatisation peut maintenant remplacer une autre étape manuelle et rend la culture cellulaire 3D plus fiable et plus rapide », se réjouit Piia Mikkonen d’UPM.
Il s’agit de notre démarche commune pour réduire l’utilisation de matières d’origine animale tout en améliorant la fiabilité et la répétabilité des résultats de la culture 3D. Que ce soit pour le criblage de substances actives ou pour la médecine régénérative, les systèmes automatisés sur mesure joueront un rôle important pour répondre aux exigences réglementaires.
À propos des auteurs
Manuel Rausch
Ingénieur d’application
Festo Allemagne
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Vesa Tomukorpi
Business Driver
Festo Finlande
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Global, orienté vers les solutions et en réseau : LifeTech Application Engineering
L’ingénierie d’application LifeTech de Festo permet d’aider les clients du monde entier dans leur recherche de solutions et se charge des études de faisabilité et de l’optimisation des paramètres, des formations, de la construction de prototypes, des mises en service et des installations ainsi que de la clarification des exigences des clients en cas de nouvelles demandes. Les ingénieurs d’application qui y travaillent disposent d’une grande expérience dans les domaines de la manipulation, du mouvement et du contrôle des liquides.
