Studio di caso mostra: Robot nella produzione di nanoparticelle – affidabile, veloce e sicuro

Studio di caso »Sintesi di particelle assistita da robot« mostra vantaggi nelle attività di routine. © Fraunhofer ISC / Case study of robotic particle synthesis shows advantages in routine tasks. © Fraunhofer ISC

Ciò che normalmente richiede ore in laboratorio, come tempi di attesa fastidiosi e molte fonti di errore, ora può essere svolto da un robot in tempi più brevi, ben documentato digitalmente e con alta riproducibilità. L'automazione dei processi di sintesi per nanoparticelle può rappresentare una pietra miliare per l'utilizzo di nuovi prodotti medici terapeutici e diagnostici – e allo stesso tempo aumentare la sicurezza sul lavoro e alleggerire il personale di laboratorio altamente qualificato da routine monotone.

Da tempo si prevede che i nanodiagnostici e nanoterapeutici biofunzionalizzati giocheranno un ruolo quasi rivoluzionario nella futura lotta contro malattie gravi come, ad esempio, il cancro. Nanoparticelle funzionali con proprietà ottiche o magnetiche specifiche, superfici biofunzionali per il riconoscimento di antigeni e/o caricamento di principi attivi, stanno effettivamente riscuotendo un interesse sempre maggiore in biomedicina. Tuttavia, per un impiego regolare come dispositivi medici, devono soddisfare requisiti rigorosi. È fondamentale in particolare la riproducibilità affidabile delle nanoparticelle con le proprietà desiderate. Per questo è necessario un processo di produzione robusto e preciso secondo standard internazionali, scalabile, idealmente a basso costo e controllabile in qualsiasi momento, per garantire la massima qualità.

Al contrario, ci sono i processi di sintesi e lavorazione generalmente manuali, eseguiti in laboratori altamente specializzati su piccola scala. Anche con specialisti molto esperti, possono verificarsi deviazioni o interpretazioni diverse dei protocolli di sintesi. Se si vogliono produrre nanoparticelle su larga scala, spesso devono essere eseguite routine successive, il che comporta anche rischi di errore. Inoltre, le normative sulla documentazione richiedono una registrazione accurata di tutti i dettagli rilevanti della produzione, richiedendo anche ulteriore tempo di lavoro.

Il Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC ha visto qui il potenziale per un'automazione della sintesi delle particelle come istituto di ricerca sui materiali esperto. Nell'ambito del progetto congiunto APRONA, finanziato dal Ministero federale dell'istruzione e della ricerca (BMBF), sono stati già sviluppati e implementati protocolli di sintesi per un processo di produzione completamente automatizzato e robotizzato.

Dopo la conclusione del progetto APRONA, il sistema è stato ora testato dai partner Fraunhofer ISC e Goldfuß engineering GmbH in uno studio di caso, confrontandolo direttamente con personale di laboratorio esperto. Hanno eseguito manualmente le stesse sintesi del robot da laboratorio. Come sistema modello sono state scelte particelle di silice con un diametro di 275 nanometri, come quelle utilizzate anche per la diagnostica o a scopo terapeutico come base. La sintesi manuale è stata eseguita secondo una procedura operativa standard (SOP) definita da tre diversi tecnici di laboratorio esperti. La stessa SOP ha costituito anche la base per il protocollo di sintesi del robot a due bracci. Sono stati valutati il tempo impiegato per l'intera procedura di sintesi, la distribuzione delle dimensioni delle particelle e la riproducibilità o deviazione dai valori target per la dimensione delle particelle e la polidispersità – intendendo con questo la gamma delle caratteristiche delle particelle in una soluzione di sintesi. Successivamente, il "Collega Robot" ha ottenuto risultati migliori in tutti e tre i settori: i lotti di particelle prodotti automaticamente hanno mostrato una deviazione assoluta minore e una polidispersità inferiore rispetto alle caratteristiche desiderate. Inoltre, il robot ha impiegato circa la metà del tempo rispetto alla produzione manuale. Inoltre, la produzione robotizzata offre ulteriori vantaggi. La sicurezza sul lavoro viene migliorata, poiché il contatto diretto tra uomo e sostanze chimiche durante la sintesi viene evitato ancora meglio. La documentazione avviene in modo automatizzato e digitale, il che è estremamente importante per la registrazione e l'analisi nei database, così come per la regolamentazione.

È quindi evidente che una sintesi automatizzata di particelle non solo è possibile, ma anche economicamente interessante. L'impianto sviluppato da Fraunhofer ISC e Goldfuß è inoltre modulare e può essere adattato in modo flessibile a nuove esigenze. Una buona notizia non solo per i produttori commerciali e fornitori di particelle per diagnostici, agenti di contrasto, ma anche per la ricerca medica e lo sviluppo di dispositivi medici.