Sensores inteligentes para una producción celular segura

Vigilancia apoyada por IA del crecimiento de agregados celulares 3D en biorreactores basados en suspensión. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller / Monitoreo apoyado por IA del crecimiento de agregados celulares 3D en biorreactores basados en suspensión. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Bioreactor con sensores integrados para el control del proceso en línea y la caracterización óptica de los agregados celulares 3D producidos. © Fraunhofer IBMT / Bioreactor con sensores integrados para el control del proceso en línea y la caracterización óptica de los agregados celulares 3D producidos. © Fraunhofer IBMT

Una bobina NFC para MAUS fabricada con una impresora de circuitos 3D. © Fraunhofer IZFP.

Con una plataforma de sensores modular y tecnología de IA, investigadores de Fraunhofer optimizan la fabricación de modelos de tejidos 3D. Su solución permite el control de calidad continuo en biorreactores y abre nuevas perspectivas para la industria biotecnológica y farmacéutica, no solo en lo que respecta a pruebas de medicamentos sin uso de animales.

Ya sea en cribado de fármacos o en pruebas de toxicidad: los modelos de tejidos 3D basados en células madre son una parte esencial de la investigación biomédica. Sin embargo, la producción de agregados celulares en biorreactores es altamente compleja y costosa. Hasta ahora, la calidad solo se verificaba al final del proceso, con un alto riesgo de pérdida de tiempo y material.

En el Centro Fraunhofer para Sensor-Inteligencia ZSI, investigadores de los Institutos Fraunhofer para Tecnología Biomédica IBMT y para Procedimientos de Ensayo No Destructivos IZFP han desarrollado conjuntamente un sistema de sensores inteligente que supervisa y optimiza continuamente todo el proceso de fabricación. El IBMT aporta su experiencia en el desarrollo de técnicas de cultivo celular optimizadas y estandarizadas, así como en sistemas innovadores para la investigación con células madre. La recopilación y transmisión de datos de sensores y la información derivada de estos se realiza mediante la plataforma de sensores autónoma multimodal MAUS del IZFP.

Sensórica coordinada, declaración clara de calidad

En el proyecto de investigación actual SpheroSense, el equipo del IBMT equipó un biorreactor comercial para esferas celulares 3D, es decir, modelos celulares en forma de esfera que pueden imitar tejidos, con dos niveles de sensores: sensores electroquímicos para monitorear glucosa, lactato, oxígeno disuelto, pH y temperatura en el entorno de las células. Cámaras caracterizan ópticamente los agregados celulares. Analizan de forma continua y en tiempo real el tamaño, la cantidad y la calidad de las esferas. Así, se genera una curva de crecimiento que permite inferir condiciones óptimas.

Para el control de calidad óptico, los investigadores utilizan dos rutas de cámaras: una cámara in situ enfoca los tubos giratorios del reactor y detecta las esferas en suspensión, mientras que otra cámara las captura cuando son aspiradas a través de un canal microfluídico. La IA integrada reconoce y clasifica los agregados celulares en milisegundos. La plataforma de IA MAUS-Edge agrupa todos los datos de sensores, los evalúa directamente en el lugar y transfiere los resultados a una base de datos.

Menos riesgo, más objetividad

Los expertos de Fraunhofer con su solución llevan el control de calidad a la producción en curso, de forma objetiva, automatizable y rentable, ya que solo los medios para cultivos celulares son costosos y su cultivo lleva mucho tiempo: «Garantizamos una evaluación objetiva mediante IA en lugar de una evaluación subjetiva, el monitoreo continuo y el ajuste prospectivo de los parámetros del proceso y, por último, la compatibilidad con la gestión moderna de procesos en los sectores farmacéutico y biotecnológico», explica el director del proyecto, Dr. Thomas Velten, del IBMT. «Nuestra solución cumple con conceptos modernos como la Tecnología de Análisis de Procesos (PAT) y la Verificación Continua de Procesos, como exigen la FDA y la EMA». Además, el sistema funciona sin etiquetas, es decir, no requiere tinciones, y las esferas permanecen intactas.

Soberanía de datos desde el principio

Un valor añadido adicional: la solución funciona sin conexión a la nube, cumpliendo así con los más altos requisitos de seguridad de datos. A petición, es posible una conexión correspondiente, pero por defecto, los datos de proceso sensibles permanecen en el cliente.

El sistema puede adaptarse a diferentes escenarios de uso, desde la investigación con células madre hasta la producción celular industrial: «Nuestra plataforma MAUS ofrece prototipado rápido para cualquier aplicación de monitoreo. Diseñada modularmente, puede adaptarse de forma flexible y ampliarse rápida y fácilmente según las necesidades», explica Christoph Weingard, desarrollador de sensores, inteligencia y microelectrónica en el IZFP. «Para SpheroSense, implementamos módulos inalámbricos con Bluetooth y Comunicación de Campo Cercano, NFC, para leer los sensores dentro de los tubos, sin cables adicionales. Solo se coloca un módulo de conexión y la supervisión continúa.»

El sistema completo se utiliza con éxito en funcionamiento en el Centro Fraunhofer para Sensor-Inteligencia ZSI, con retroalimentación directa de las colegas y colegas que producen esferas celulares 3D y trabajan con ellas en proyectos posteriores.

Presentación en la Analytica 2026

Los expertos presentarán su solución del 24 al 27 de marzo de 2026 en la feria Analytica en Múnich. En esta feria líder mundial de tecnología de laboratorio, análisis y biotecnología, los visitantes podrán conocer el sistema completo, incluyendo sensores, cámaras y análisis de datos en tiempo real.