Sensori intelligenti per una produzione di cellule di qualità garantita
Gli esperti del Fraunhofer integrano il controllo di qualità in tempo reale nella produzione - obiettivo, automatizzabile e conveniente
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I ricercatori del Fraunhofer stanno ottimizzando la produzione di modelli di tessuto 3D utilizzando una piattaforma modulare di sensori e l'intelligenza artificiale. La loro soluzione consente un controllo continuo della qualità nei bioreattori e apre nuove prospettive per le industrie biotecnologiche e farmaceutiche, non solo per la sperimentazione di farmaci senza animali.
Sia per lo screening dei farmaci che per i test di tossicità, i modelli di tessuto 3D basati sulle cellule staminali sono fondamentali per la ricerca biomedica. Tuttavia, la produzione di aggregati cellulari in bioreattori è molto complessa e costosa. Finora, la qualità è stata controllata solo alla fine del processo. Ciò comporta un elevato rischio di perdita di tempo e di materiale.
Ora, presso il Fraunhofer Center for Sensor Intelligence ZSI, i ricercatori degli Istituti Fraunhofer per l'ingegneria biomedica IBMT e per i controlli non distruttivi IZFP hanno sviluppato congiuntamente un sistema di sensori intelligenti che monitora e ottimizza continuamente l'intero processo produttivo. Il Fraunhofer IBMT contribuisce con la sua esperienza nello sviluppo di metodi di coltura cellulare ottimizzati e standardizzati e di sistemi modello innovativi per la ricerca sulle cellule staminali. La piattaforma di sensori autonomi multimodali (MAUS) del Fraunhofer IZFP implementa l'innovativa raccolta e trasmissione dei dati dei sensori e delle informazioni da essi derivate.
Sensori coordinati, dichiarazione di qualità chiara
Nell'attuale progetto di ricerca SpheroSense, il team del Fraunhofer IBMT ha installato due livelli di sensori in un bioreattore commerciale per sferoidi cellulari 3D, ossia modelli di cellule sferiche che possono imitare i tessuti. L'ambiente cellulare è monitorato da sensori elettrochimici per glucosio, lattato, ossigeno disciolto, pH e temperatura. Le telecamere consentono la caratterizzazione ottica degli aggregati cellulari. Esse analizzano continuamente le dimensioni, il numero e la qualità degli sferoidi in tempo reale. Ne risulta una curva di crescita che consente di trarre conclusioni sulle condizioni ottimali.
I ricercatori si affidano a due percorsi di telecamere per il controllo visivo della qualità. Una telecamera in situ si concentra sui tubi rotanti del reattore e rileva gli sferoidi in sospensione, mentre un'altra telecamera li rileva mentre vengono prelevati attraverso un canale microfluidico. L'intelligenza artificiale integrata riconosce e classifica gli aggregati cellulari in pochi millisecondi. La piattaforma MAUS edge AI raggruppa tutti i dati dei sensori, li valuta direttamente sul posto e trasferisce i risultati a un database.
Minori rischi, maggiore obiettività
Con la loro soluzione, gli esperti del Fraunhofer integrano il controllo di qualità in tempo reale nella produzione. Questo controllo di qualità è oggettivo, automatico ed economico, poiché i terreni di coltura per le cellule staminali sono già costosi e il processo di coltivazione richiede molto tempo. Il responsabile del progetto Thomas Velten del Fraunhofer IBMT spiega: "Sostituiamo la valutazione soggettiva con una valutazione oggettiva basata sull'intelligenza artificiale, il monitoraggio continuo e la potenziale regolazione dei parametri di processo. Infine, ma non meno importante, garantiamo la connettività con i moderni sistemi di controllo dei processi nel settore farmaceutico e biotecnologico. La nostra soluzione corrisponde a concetti moderni come la tecnologia analitica di processo (PAT) e la verifica continua del processo, come richiesto dalla FDA e dall'EMA". Il funzionamento del sistema è privo di etichette, il che significa che non è necessaria alcuna colorazione e che gli sferoidi non vengono danneggiati.
Sovranità dei dati fin dall'inizio
Un ulteriore vantaggio: la soluzione funziona senza alcuna connessione al cloud e soddisfa quindi i più severi requisiti di sicurezza dei dati. La connessione al cloud è possibile su richiesta, ma la configurazione predefinita mantiene i dati sensibili del processo presso il cliente.
Il sistema può essere adattato a diversi scenari applicativi, dalla ricerca sulle cellule staminali alla produzione industriale di cellule. "La nostra piattaforma MAUS consente una rapida prototipazione per tutte le applicazioni di monitoraggio. Grazie al suo design modulare, può essere adattata in modo flessibile ed espansa rapidamente e facilmente per soddisfare qualsiasi esigenza", spiega Christoph Weingard, sviluppatore di intelligenza dei sensori e microelettronica presso il Fraunhofer IZFP. "Ad esempio, abbiamo implementato moduli radio con Bluetooth e comunicazione in campo vicino (NFC) in SpheroSense per leggere i sensori all'interno dei tubi senza cavi aggiuntivi. È sufficiente collegare il modulo plug-in appropriato e il monitoraggio ha inizio".
L'intero sistema viene utilizzato con successo in produzione presso il Fraunhofer Center for Sensor Intelligence ZSI, con un feedback diretto da parte dei colleghi che producono sferoidi cellulari 3D e li utilizzano in ulteriori progetti.
Gli specialisti presenteranno la loro soluzione all'Analytica di Monaco dal 24 al 27 marzo 2026. I visitatori potranno conoscere l'intero sistema, compresi i sensori, le telecamere e l'analisi dei dati in tempo reale, in occasione della fiera leader mondiale per le attrezzature di laboratorio, l'analisi e la biotecnologia.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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