UPM Biomedicals produkuje wysoce biokompatybilny hydrożel GrowDex®, który umożliwia naukowcom na całym świecie skupienie się na opracowywaniu aktywnych składników farmaceutycznych do stosowania u ludzi, przy jednoczesnym wykorzystaniu mniejszej ilości materiału zwierzęcego. Aby komórki mogły tworzyć małe organy (organoidy i sferoidy), potrzebują włóknistego środowiska, które naśladuje macierz zewnątrzkomórkową naszego ciała. Zazwyczaj do stworzenia takich warunków hodowli 3D wykorzystuje się materiały pochodzenia zwierzęcego. GrowDex to gotowy do użycia hydrożel, który jest uzyskiwany z drewna brzozowego i dlatego nie zawiera materiałów pochodzenia zwierzęcego lub ludzkiego.

Wyzwanie: dozowanie lepkiego hydrożelu z niezwykłą dokładnością przy użyciu precyzyjnego zaworu

GrowDex jest stabilny termicznie w temperaturach od 0°C do ponad 100°C, dzięki czemu idealnie nadaje się do wysokowydajnej automatyzacji i badań przesiewowych. GrowDex to materiał, którego lepkość zmniejsza się w zależności od sił ścinania. Oznacza to, że lepkość zmienia się wraz z siłą wywieraną na materiał - przy wysokim ciśnieniu dozowania jest on płynny, a gdy tylko ciśnienie zostanie zwolnione, materiał zestala się i ponownie staje się lepki. Ponieważ nanowłókna celulozowe wewnątrz materiału nie sieciują się, a jedynie przeplatają, materiał jest prawdziwym hydrożelem. Wymaga to szczególnej uwagi w odniesieniu do kontroli ciśnienia generowanego w systemie dozowania.

W związku z tym firma UPM Biomedicals zwróciła się do ekspertów Festo z Centrum Aplikacyjnego LifeTech z prośbą o przeprowadzenie analizy wykonalności automatycznego dozowania hydrożelu, którego lepkość zmniejsza się w zależności od sił ścinania. Celem było wiarygodne osiągnięcie określonych wartości CV (współczynnika zmienności) dla dwóch docelowych objętości - 25 µl i 100 µl. Objętości te są typowe dla dozowania w 96-dołkowych i 384-dołkowych mikropłytkach.

"Często dozujemy niestandardowe płyny. Kiedy po raz pierwszy zobaczyłem hydrożel GrowDex w strzykawkach, wiedziałem, że nie będzie łatwo go dozować - nawet w postaci rozcieńczonej. Ale wiem też, że nasz system oferuje wiele możliwości znalezienia właściwego rozwiązania" - mówi Manuel Rausch, Inżynier Aplikacyjny Festo.

Sposób: zróżnicowanie i optymalizacja produktów i parametrów

Festo w zautomatyzowanej obsłudze płynów polega na metodzie dozowania sterowanego ciśnieniem. Parametry takie jak ciśnienie i czas otwarcia mogą być elastycznie dostosowywane do właściwości płynów. Podczas testu zmieniano zarówno używane produkty Festo, jak i parametry procesu, takie jak zawory z sepereacją medium, igły, ciśnienie i czasy otwarcia zaworów.

Najpierw testowane hydrożele GrowDex lub GrowDex-T zostały ręcznie rozcieńczone pożywką do hodowli komórkowych DMEM i napełnione do szklanej fiolki z korkiem. Generator ciśnienia i podciśnienia (PGVA-1) został użyty do zwiększenia ciśnienia w butelce za pomocą przewodu łączącego. Moduł sterowania zaworami VAEM-V precyzyjnie steruje zaworem VYKB-F12 z separacją medium w celu dozowania wyciskanej mieszaniny hydrożelu do naczynia docelowego. Dozowana ilość została zarejestrowana grawimetrycznie przy użyciu wagi i wykorzystana do analizy wartości CV.

Zawór VYKB-F12 i igła o dużej średnicy wewnętrznej okazały się najlepszym rozwiązaniem minimalizującym opory przepływu. Wybrana konstrukcja umożliwiła również zastosowanie kompaktowego generatora ciśnienia/podciśnienia PGVA-1, który eliminuje potrzebę podłączenia sprężonego powietrza w laboratorium.

Sukces: idealny proces dozowania hydrożeli GrowDex

Inżynierowie aplikacyjni Festo opracowali rozwiązanie z zestawem komponentów, które umożliwiło dozowanie GrowDex w stężeniu 0,75% i GrowDex-T w stężeniu 0,5%, każdy zmieszany z DMEM w stosunku 1:1. Wartości CV mieściły się w określonej tolerancji.

Firma UPM może być teraz pewna, że jej hydrożele GrowDex mogą być automatycznie dozowane do użytku w systemach specjalnych dla danego klienta - biorąc pod uwagę konkretną konfigurację techniczną. "Automatyzacja może teraz zastąpić kolejny ręczny krok i sprawić, że hodowla komórek 3D będzie bardziej niezawodna i szybsza" - mówi zadowolona Piia Mikkonen z UPM.

Jest to nasz wspólny krok w kierunku ograniczenia wykorzystania materiału zwierzęcego przy jednoczesnej poprawie wiarygodności i powtarzalności wyników hodowli 3D. Niezależnie od tego, czy chodzi o badania przesiewowe leków, czy medycynę regeneracyjną, zautomatyzowane systemy dostosowane do indywidualnych potrzeb będą odgrywać ważną rolę w spełnianiu wymogów regulacyjnych.

O autorach


Manuel Rausch
Inżynier Aplikacyjny
Festo Niemcy
Kontakt

Vesa Tomukorpi
Business Driver
Festo Finlandia
Kontakt

Globalny, zorientowany na rozwiązania i połączony w sieć: LifeTech Application Engineering

LifeTech Application Engineering w Festo wspiera klientów na całym świecie w poszukiwaniu rozwiązań, testowaniu wykonalności i optymalizacji parametrów, oferowaniu szkoleń, projektowaniu prototypów, uruchamianiu i instalacji, a także wyjaśnianiu wymagań klientów w przypadku nowych zapytań. Inżynierowi Aplikacyjni Festo posiadają bogate doświadczenie w zakresie Liquid Handling, Motion i Liquid Control.

Więcej artykułów