Für jede der 24 Pipetten am Roboterarm kann eine andere Zusammensetzung der Lösung gewählt werden.

Ausgabe 02 | 2022

Präzision bei der automatischen Zellanalyse

FAULHABER MINIMOTOR SA

Covid-19 hat uns eindrücklich vor Augen geführt, dass ständig neue Krankheiten zu den bereits bekannten hinzukommen. Deshalb müssen immer neue Medikamente entwickelt werden. Diese Mittel sollen ebenso wirksam wie sicher sein, am besten noch bevor man sie an Menschen testet.

Heute lässt sich bereits im Labor sehr viel über ihre Wirkung erfahren. Automatisierte Systeme zur präzisen Zellanalyse erleichtern diese Arbeit mittlerweile deutlich. Treibende Kraft der Kamera und Pipetten sind bürstenlose DC-Servomotoren mit integriertem Motion Controller, die mit Mikrometergenauigkeit positionieren, ausgesprochen kompakt sind und obendrein auch noch besonders zuverlässig arbeiten.
Leben retten, Krankheiten heilen, Beschwerden lindern, diese Aufgaben erfüllen moderne Medikamente Tag für Tag. Doch längst nicht für jedes Leiden gibt es auch schon eine Arznei. Deshalb werden immer neue Medikamente entwickelt, die natürlich auch getestet werden müssen, ehe sie der Allgemeinheit zur Verfügung stehen. Vor der klinischen Testphase am Menschen stehen umfangreiche Labortests. Da Medikamente überwiegend in den Körperzellen wirken, können Zellkulturen stellvertretend das «Ausprobieren» der Arznei übernehmen.

Zellen beobachten und Messwerte ermitteln
Die Beobachtung der Zellen während solcher Labortests ist vielschichtig und vor allem zeitaufwendig. Ein einzelner Versuch dauert im Schnitt etwa drei Tage. Währenddessen werden zahlreiche Einzelmessungen vorgenommen und die Zellen in kurzen Abständen immer wieder fotografiert. Die Bildsequenzen lassen sich zu einem Zeitraffer-Film zusammenfügen, um den Verlauf des Zellwachstums zu verfolgen.
Für die Messungen werden ausserdem drei physikalische Grössen untersucht: Sauerstoffgehalt, pH-Wert und elektrischer Widerstand des Zellrasens, der aus einem dünnen Zellfilm besteht. Der Stoffwechsel der Zellen beeinflusst die Messwerte. Zellen verbrauchen beispielsweise in gesundem Zustand mehr Sauerstoff, als wenn sie bereits an der (Neben-)Wirkung eines zugeführten Mittels leiden. Ähnlich verhält es sich mit dem pH-Wert: Da der Zellstoffwechsel saure Substanzen produziert, sinkt er normalerweise in den sauren Bereich ab. Verringert sich die Absenkung, ist der Metabolismus gestört. Die Grösse der Abweichung lässt Rückschlüsse auf den Einfluss des Medikaments zu. Der elektrische Widerstand wiederum wächst mit der Zahl der Zellen. Ein verzögerter Anstieg zeigt, wie stark die Zellen beeinträchtigt sind.

Automatisiertes Testsystem statt Handarbeit
Bisher erforderten solche Testreihen viel Handarbeit. Die verschiedenen Schritte konnten nur teilweise automatisiert werden. Mit CYRIS FLOX hat INCYTON ein vollautomatisches Gerät entwickelt, das den mehrtägigen Testdurchlauf ohne menschlichen Eingriff absolvieren und zugleich die Ergebnisse vollständig dokumentieren kann. Das Kernstück des Systems ist eine durchsichtige Mikrotiter-Platte mit 24 Vertiefungen, die wie Miniatur-Petrischalen die Zellproben aufnehmen. 24 Pipetten an einem Roboterarm versorgen die Kulturen mit Nährlösung und führen die Substanzen zu, deren Auswirkungen ermittelt werden sollen. Dabei kann für jede Pipette eine andere Zusammensetzung der Lösung gewählt werden. Jedes Schälchen hat Sensoren für Sauerstoffgehalt, pH-Wert und elektrischen Widerstand. Durch ein Mikroskop-Objektiv werden zudem in regelmässigen Abständen die einzelnen Schälchen von unten durch die durchsichtige Platte fotografiert.
Beim Prototyp des automatischen Testsystems, das die Gründer des Start-ups noch während ihrer universitären Forschungsarbeiten realisierten, waren sie zunächst mit den für Kamera und Pipetten eingesetzten Motoren unzufrieden und haben diese durch Antriebe von FAULHABER (vgl. Firmenkasten) ersetzt. Sie überzeugten vor allem durch ihre Kompaktheit und Zuverlässigkeit. Als es um die Weiterentwicklung für die Serienproduktion ging, musste also kein Antriebslieferant mehr gesucht werden. Es wurden jedoch neue Ziele definiert: «Wir wollten mit möglichst wenig unterschiedlichen Motortypen arbeiten», erinnert sich Entwicklungschef Matthias Moll. «Ausserdem sollte die Verkabelung einfacher werden. Wir haben uns einen Antrieb gewünscht, bei dem die Elektronik bereits integriert ist. Sie war bis dahin in einem Steuerelement des Roboterarms untergebracht, wodurch viele Kabelverbindungen in einem bewegten Element nötig waren.» Darüber hinaus sollten die Motoren in der Lage sein, Fehler zu melden, so etwa wenn Überhitzung eine mechanische Blockade zu verursachen droht.

Kompakt, leicht und leistungsfähig
In der Kombination mit einem integrierten Motion Controller der Reihe CxD erfüllte der bürstenlose DC-Servomotor 2232…BX4 diese neuen Anforderungen der Techniker. Hinzu kamen die hohe Leistung bei äusserst kompakter Bauform. Der gesamte Antrieb ist bei Ø 22 mm nur 49,6 mm lang. Das geringe Gewicht und Volumen kam der Laboranwendung ebenfalls zugute. Die bürstenlosen DC-Servomotoren in 4-Pol-Technologie liefern ein Drehmoment von 16 mNm bei ruhigen Laufeigenschaften und niedrigem Geräuschpegel. Der dynamisch gewuchtete Rotor sorgt für einen ruhigen, rastmomentfreien Lauf. Die Datenverarbeitung direkt im Motor bietet weitere Vorteile: Es gibt keine abgestrahlten Störsignale bei der Motorkommutierung, die bei langen Zuleitungen zwangsläufig vorkommen. Die als Datenpaket gesendeten Steuerungssignale der SPS beziehungsweise die Rückmeldung vom Motor werden ebenfalls störsicher übertragen.
Insgesamt sind sechs dieser Antriebe in dem Analysegerät eingebaut. Drei bewegen den Pipettierkopf im Roboterarm in drei Achsen. Sie fahren die Pipetten exakt über die Mikrotiter-Schälchen und positionieren sie knapp darüber, um die Lösung abzugeben. Ein vierter Motor treibt 24 Saugkolben an, die bis zu 200 µl Kulturmedium in die sterilen Pipettenspitzen befördern. Zwei Motoren bewegen das Mikroskop auf einen XY-Tisch unter der durchsichtigen Mikrotiter-Platte mit den Zellproben, um die Fotos aufzunehmen.

Präzision und Zuverlässigkeit im Dauerbetrieb
«Damit man später im Zeitraffer die Entwicklung einzelner Zellen verfolgen kann, muss sich das Objektiv immer genau am selben Punkt unter dem Schälchen befinden», erläutert Matthias Moll die Herausforderung. «Mithilfe der FAULHABER-Motoren können wir den Tisch auf zwei Mikrometer genau positionieren.» Auch der Motor, der die Kolben des Pipetten-Kopfes antreibt, muss äusserst präzise arbeiten. Nur wenn die Flüssigkeitsmenge exakt den Vorgaben entspricht, können valide Testergebnisse zustande kommen.
Hohe Wiederholgenauigkeit ist bei der Zellanalyse obligatorisch. Die exakten Bewegungen müssen über die Tage des Testverlaufs in kurzen Abständen immer wieder ohne Abweichung ausgeführt werden. «Wir erwarten von den Antrieben deshalb das höchstmögliche Mass an Zuverlässigkeit im Dauerbetrieb», betont der Entwicklungschef. «Erst damit schaffen wir die Voraussetzung für eine lange ‹walk-away time›.» So bezeichnet man in der Laborautomatisierung die Zeit, in der ein Versuch ohne menschlichen Eingriff auskommt. «Mit unserem Analysesystem lässt sie sich von wenigen Minuten oder Stunden auf mehrere Tage ausdehnen. Die hochqualifizierten Wissenschaftler und Labortechniker können währenddessen andere Arbeiten ausführen. Die Effizienz des Laborbetriebs steigt, die laufenden Kosten sinken und das Gerät amortisiert sich schnell.»

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