Intelligente Sensoriek voor veilige celproductie

AI-ondersteunde monitoring van de groei van 3D-celaggregaten in suspensie-gebaseerde bioreactoren. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Bioreactor met geïntegreerde sensoren voor online procescontrole en optische karakterisering van de geproduceerde 3D-celaggregaten. © Fraunhofer IBMT / Bioreactor met geïntegreerde sensoren voor online procescontrole en optische karakterisering van de geproduceerde 3D-celaggregaten. © Fraunhofer IBMT

Een NFC-antenne voor MAUS vervaardigd met een 3D-circuitprintplaatprinter. © Fraunhofer IZFP.

Met een modulaire sensorenplatform en KI-technologie optimaliseren onderzoekers van Fraunhofer de productie van 3D-weefselmodellen. Hun oplossing maakt continue kwaliteitscontrole in bioreactoren mogelijk en opent nieuwe perspectieven voor de biotech- en farmaceutische industrie – niet alleen met het oog op diervrije geneesmiddeltesten.

Of het nu gaat om geneesmiddelonderzoek of toxiciteitsbeoordeling: op stamcellen gebaseerde 3D-weefselmodellen vormen een essentieel onderdeel van biomedisch onderzoek. Maar de productie van cellulaire aggregaten in bioreactoren is zeer complex en kostbaar. Tot nu toe wordt de kwaliteit pas aan het einde van het proces gecontroleerd – met een hoog risico op tijd- en materiaalschade.

Bij het Fraunhofer-centrum voor Sensor-Intelligentie ZSI hebben onderzoekers van de Fraunhofer-instituten voor Biomedische Techniek IBMT en voor Niet-destructief Onderzoek IZFP nu gezamenlijk een intelligent sensorsysteem ontwikkeld dat het gehele productieproces continu bewaakt en optimaliseert. Het Fraunhofer IBMT brengt zijn expertise in de ontwikkeling van geoptimaliseerde, gestandaardiseerde celkweektechnieken en innovatieve modelsystemen voor stamcelonderzoek in. Het toekomstgerichte verzamelen en doorgeven van sensordata en hieruit afgeleide informatie wordt gerealiseerd door het multimodale autonome sensorsysteem MAUS van het Fraunhofer IZFP.

Afgestemde sensortechnologie, duidelijke kwaliteitsuitspraken

In het huidige onderzoeksproject SpheroSense heeft het team van het Fraunhofer IBMT een commerciële bioreactor voor 3D-cel-sferen, oftewel bolvormige celmodellen die weefsels kunnen nabootsen, uitgerust met twee sensorniveaus: elektrochemische sensoren voor het monitoren van glucose, lactaat, opgeloste zuurstof, pH-waarde en temperatuur bewaken de omgeving van de cellen. Camera's karakteriseren de celaggregaten optisch. Continu en in realtime analyseren ze de grootte, het aantal en de kwaliteit van de sferen. Zo ontstaat een groeicurve die inzicht geeft in de optimale omstandigheden.

Voor de optische kwaliteitscontrole maken de onderzoekers gebruik van twee camerapaden: een in-situ-camera richt zich op de roterende buisjes van de reactor en herkent de sferen in de zwevende toestand, een andere camera registreert ze wanneer ze door een microfluidicakanaal worden gezogen. De geïntegreerde KI herkent en classificeert de celaggregaten binnen milliseconden. Het MAUS-Edge-KI-platform bundelt alle sensordata, analyseert deze direct ter plaatse en geeft de resultaten door aan een database.

Minder risico, meer objectiviteit

De experts van Fraunhofer brengen met hun oplossing de kwaliteitscontrole in de lopende productie – objectief, automatiserbaar en kostenefficiënt, want alleen de media voor stamcellen zijn duur en de kweek ervan tijdrovend: "Wij garanderen een objectieve beoordeling door KI in plaats van een subjectieve inschatting, de continue bewaking en toekomstige aanpassing van procesparameters en niet in de laatste plaats de aansluiting op moderne procesbesturing in de farmaceutische en biotech-sector," legt projectleider Dr. Thomas Velten van het Fraunhofer IBMT uit. "Onze oplossing voldoet aan moderne concepten zoals Process Analytical Technology (PAT) en Continuous Process Verification, zoals geëist door de FDA en EMA." Het systeem werkt labelvrij, dat wil zeggen zonder kleuringen, waardoor de sferen onbeschadigd blijven.

Dataveiligheid vanaf het begin

Een extra pluspunt: de oplossing werkt zonder cloudverbinding en voldoet daarmee aan de hoogste eisen op het gebied van databeveiliging. Op verzoek is een passende aansluiting mogelijk, maar standaard blijven de gevoelige procesgegevens bij de opdrachtgever.

Het systeem kan worden aangepast aan verschillende toepassingsscenario's – van stamcelonderzoek tot industriële celproductie: "Ons platform MAUS biedt rapid prototyping voor allerlei monitoringtoepassingen. Modulaire opzet maakt het flexibel aanpasbaar en snel en eenvoudig uit te breiden naar behoefte," legt Christoph Weingard uit, ontwikkelaar voor sensoriële intelligentie en micro-elektronica bij het Fraunhofer IZFP. "Voor SpheroSense hebben we bijvoorbeeld draadloze modules met Bluetooth en Near Field Communication (NFC) ontwikkeld om de sensoren binnen de buisjes uit te lezen – zonder extra kabels. Een passend stekmodule wordt eenvoudig aangebracht – en de bewaking loopt."

Het totale systeem wordt succesvol gebruikt bij het Fraunhofer-centrum voor Sensor-Intelligentie ZSI tijdens de operationele fase – met directe feedback van de collega’s die 3D-cel-sferen produceren en in vervolgprojecten mee werken.

Presentatie op de Analytica 2026

De experts presenteren hun oplossing van 24 tot 27 maart 2026 op de Analytica in München. Op de wereldwijde vakbeurs voor laboratoriumtechniek, analyse en biotechnologie kunnen bezoekers een kijkje nemen in het totale systeem – inclusief sensoren, camera's en realtime data-analyse.