Případová studie ukazuje: Roboti v produkci nanopar­tikul – spolehliví, rychlí a bezpeční

Případová studie „Roboticky řízená syntéza částic“ ukazuje výhody při rutinních úkolech. © Fraunhofer ISC / Případová studie robotické syntézy částic ukazuje výhody při rutinních úkolech. © Fraunhofer ISC

To, co jinak v laboratoři trvá hodiny, zahrnuje nepříjemné čekání a mnoho zdrojů chyb, nyní zvládne robot v kratším čase, dobře digitalizovaně zdokumentované a s vysokou reprodukovatelností. Automatizace synthese procesů pro nanopartikly může být milníkem v využívání nových terapeutických a diagnostických medicínských produktů – a zároveň zvýšit bezpečnost práce a odlehčit vysoce kvalifikovanému laboratornímu personálu od monotónních rutin.

Biofunkcionalizované nanodiagnostika a -therapeutika jsou již delší dobu předpovídána jako téměř revoluční v budoucím boji proti závažným onemocněním, například rakovině. Funkční nanopartikly s speciálními optickými nebo magnetickými vlastnostmi, biofunkční povrchy pro rozpoznávání antigenů a/nebo naložení účinné látky, jsou ve biomedicíně stále žádanější. Nicméně pro jejich běžné použití jako medicínských produktů musí splňovat přísné požadavky. Klíčové je především spolehlivá reprodukovatelnost nanopartiklů s přesně požadovanými vlastnostmi. Proto je potřeba robustní a přesný výrobní proces podle mezinárodních standardů, který je škálovatelný, ideálně nákladově efektivní a stále říditelný, aby byla zajištěna nejvyšší kvalita.  

Na druhé straně stojí obvykle manuální synthese a zpracovatelské procesy, které se provádějí v vysoce specializovaných laboratořích na malém měřítku. I u velmi zkušených specialistů se mohou vyskytnout odchylky nebo odlišné interpretace synthese protokolů. Pokud je třeba nanopartikly vyrábět ve větším měřítku, je nutné často provádět příslušné rutiny po sobě, což rovněž přináší riziko chyb. Navíc požadavky na dokumentaci vyžadují pečlivé zaznamenání všech relevantních výrobních detailů, což opět znamená pracovní čas.

Fraunhoferův institut pro sklářský výzkum ISC zde vidí potenciál pro automatizaci syntézy částic jako zkušený materiálový výzkumný institut. V rámci projektu APRONA, financovaného Spolkovým ministerstvem pro vzdělávání a výzkum (BMBF), byly již vyvinuty a implementovány synthese protokoly pro roboticky řízený, plně automatický výrobní proces.

Po ukončení projektu APRONA byl systém nyní partnerství Fraunhofer ISC a Goldfuß engineering GmbH testován v případové studii v přímém srovnání se zkušenými laboranty. Ti prováděli stejné syntézy jako laboratorní robot ručně. Jako modelový systém byly zvoleny křemíkové částice s průměrem 275 nanometrů, které se používají například pro diagnostiku nebo terapeutické účely jako základ. Manuální synthese byla provedena podle definované Standard Operating Procedure (SOP) třemi různými zkušenými laboranty. Stejná SOP byla základem i pro synthese protokol dvojramenného robota. Hodnoceny byly doba trvání celé synthese, velikostní rozdělení částic a reprodukovatelnost či odchylky od cílových hodnot u velikosti částic a polydisperzity – tím je myšleno rozmezí vlastností částic v jednom synthese řešení. Následně si „kolega robot“ vedl lépe ve všech třech oblastech: dávky částic, které byly automaticky vyrobeny, vykazovaly menší absolutní odchylku i menší polydisperzitu vzhledem k požadovaným vlastnostem. Navíc robot potřeboval přibližně polovinu času na výrobu. Automatizovaná výroba přináší i další výhody. Zlepšuje bezpečnost práce, protože přímý kontakt člověka s chemikáliemi při synthese je ještě lépe eliminován. Dokumentace je automatizovaná a digitální, což je velmi důležité pro zaznamenávání a analýzu v databázích i pro regulaci.

Je zřejmé, že automatizovaná synthese částic je nejen možná, ale i ekonomicky zajímavá. Zařízení vybudované Fraunhoferem ISC a Goldfußem je navíc modulární a může být flexibilně přizpůsobeno novým úkolům. Dobrá zpráva nejen pro komerční výrobce a dodavatele částic pro diagnostiku, kontrastní látky, ale i pro medicínský výzkum a vývoj medicínských produktů.