15/02/2022
Door Ad Spijkers
Automatisering maakt routinewerk betrouwbaarder, sneller en veiliger.
De automatisering van syntheseprocessen voor nanodeeltjes kan een mijlpaal zijn voor het gebruik van nieuwe therapeutische en diagnostische medische producten. Tegelijkertijd kan het de arbeidsveiligheid verhogen en hooggekwalificeerd laboratoriumpersoneel ontlasten van monotone routines.
Nanodiagnostiek en therapieën spelen een rol zullen in de toekomstige strijd tegen ziekten zoals kanker. Functionele nanodeeltjes met speciale optische of magnetische eigenschappen, biofunctionele oppervlakken voor het herkennen van antigenen en/of het toedienen van medicijnen ervaren een toenemende vraag in de biogeneeskunde.
Maar voor regelmatig gebruik als medisch hulpmiddel moeten ze aan strenge eisen voldoen. Wat vooral belangrijk is, is de betrouwbare reproduceerbaarheid van de nanodeeltjes met de gewenste eigenschappen. Dit vereist een robuust en nauwkeurig productieproces volgens internationale normen dat schaalbaar, economisch en controleerbaar is om de hoogst mogelijke kwaliteit te garanderen.
Productie
De synthese- en verwerkingsprocessen worden meestal handmatig op kleine schaal in gespecialiseerde laboratoria uitgevoerd. Maar ook bij ervaren specialisten kunnen afwijkingen of een andere interpretatie van syntheseprotocollen optreden. Als nanodeeltjes op grotere schaal moeten worden geproduceerd, moeten de bijbehorende routines vaak na elkaar worden uitgevoerd, wat het risico op fouten met zich meebrengt. Bovendien vereisen de documentatievoorschriften een zorgvuldige registratie van alle relevante productiedetails, waaronder de werktijd.
Het Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC) zag potentieel voor het automatiseren van deeltjessynthese. Er zijn syntheseprotocollen voor een door robots ondersteund automatisch productieproces ontwikkeld en geïmplementeerd als onderdeel van het gezamenlijke project Aprona. Na afloop van het project werd het systeem in een casestudy getest door de partners Fraunhofer ISC en Goldfuss Engineering in directe vergelijking met ervaren laboratoriummedewerkers.
Mens versus robot
Mens en robot voerden dezelfde syntheses uit. Als modelsysteem is gekozen voor silicadeeltjes met een diameter van 275 nm, die ook als basis dienen voor diagnostische of therapeutische doeleinden. De handmatige synthese werd uitgevoerd volgens een gedefinieerde Standard Operating Procedure (SOP) door drie verschillende ervaren laboratoriummedewerkers. Dezelfde procedure was ook de basis voor het syntheseprotocol van de tweearmige robot.
De tijd voor de volledige syntheseprocedure, de grootteverdeling van de deeltjes en de reproduceerbaarheid van de doelwaarden voor deeltjesgrootte en polydispersiteit (het bereik van deeltjeseigenschappen in een syntheseoplossing) werden beoordeeld. De robot presteerde op alle drie gebieden beter. De partikelbatches die automatisch werden geproduceerd, vertoonden een kleinere absolute afwijking en een lagere polydispersiteit ten opzichte van de gewenste partikeleigenschappen. Bovendien had de robot slechts ongeveer de helft van de tijd nodig voor de productie.
Perspectieven
Daarnaast biedt door een robot geassisteerde productie nog andere voordelen. De arbeidsveiligheid wordt verbeterd doordat direct contact tussen mens en chemie tijdens de synthese beter wordt vermeden. De documentatie is geautomatiseerd en digitaal, wat van groot belang is voor vastlegging en analyse in databases en voor regulering.
Dit maakt duidelijk dat geautomatiseerde deeltjessynthese niet alleen mogelijk, maar ook economisch interessant is. Het systeem is modulair gebouwd en kan flexibel worden aangepast aan nieuwe taken. Dat is niet alleen goed nieuws voor fabrikanten en leveranciers van deeltjes voor diagnostiek en contrastmiddelen, maar ook voor medisch onderzoek en medische productontwikkeling.
Behalve Fraunhofer ISC in Würzburg en Goldfuss Engineering in Balingen (ten zuiden van Tübingen) namen ook Biametrics in Tübingen en BioTeSys in Esslingen deel aan het project.