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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug zum automatisiertem Greifen eines Wirkstoff-Beads.
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Wirkstoff-Beads als Depot-Medikamente haben in der Medizin aufgrund der mit ihnen erzielten Behandlungserfolge enorme Bedeutung erlangt.
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Wirkstoff-Beads umfassen in der Regel ein Trägermaterial, in welches ein Wirkstoff oder ein Material eingebettet sein kann, das aufgrund chemischer oder/und biologischer Reaktion einen Wirkstoff über eine endliche Wirkzeit hinweg erzeugt.
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Da der Wirkstoff des Wirkstoff-Beads nach seiner Aufnahme im menschlichen oder tierischen Körper in der Regel eine Wirkung erzielt, sollen in der vorliegenden Anmeldung der Wirkstoff und das den Wirkstoff erzeugende Material mit dem Oberbegriff des biologisch aktiven Materials bezeichnet sein.
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Als geeignetes Trägermaterial haben sich gelartige Materialien herausgestellt, von welchen Bio-Polymere, wie insbesondere Agarose, aufgrund ihrer guten Verträglichkeit im menschlichen oder tierischen Körper eine herausragende Stellung einnehmen.
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Grundsätzlich liegen Trägermaterialien ursprünglich zur Einbettung des biologisch aktiven Materials darin als formlose fließfähige, jedoch verfestigbare Masse vor, in die das biologisch aktive Material eingemischt werden kann.
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Im Laufe seiner Verfestigung nimmt der Wirkstoff-Bead eine, in der Regel kugelförmige, Gestalt an, wobei jedoch die Formstabilität des Wirkstoff-Beads je nach Verfestigungsfortschritt nicht besonders hoch ist und nicht mit einem starren Festkörper zu vergleichen ist.
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Die niedrige Formstabilität während der Herstellungsphase macht den Wirkstoff-Bead überdies besonders sensibel für Kraftangriff von außen, was bisher die automatisierte Herstellung von Wirkstoff-Beads stark erschwert hat. Tatsächlich werden Wirkstoff-Beads für zahlreiche Anwendungsfälle nahezu vollständig von Hand hergestellt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine technische Lehre anzugeben, welche wenigstens eine Teilautomatisierung der Herstellung von Wirkstoff-Beads, die ein Trägermaterial und ein darin eingebettetes biologisch aktives Material umfassen, ermöglichen.
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Es ist insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine technische Lehre anzugeben, welche die Handhabung, also das gezielte Greifen, loslassen und den Transport von Bead-Rohlingen oder fertigen Wirkstoff-Beads von einem Ort an einen anderen gestattet.
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Es hat sich herausgestellt, dass die Zwischen- und Endprodukte der herzustellenden Wirkstoff-Beads, also ein Bead-Rohling oder ein fertiger Wirkstoff-Bead, durch Unterdruckgreifer gegriffen werden können, wenn diese eine Bead-Kontaktfläche aufweisen, welche bezüglich wenigstens einer Bezugsachse konkav geformt ist.
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Durch diese konkave Ausformung der Bead-Kontaktfläche kann sich diese an den runden, idealerweise kugelrunden, Bead-Rohling oder Wirkstoff-Bead anschmiegen. Dadurch wird eine Flächenberührung erzielt, bei deren Herstellung auch die geringfügige Verformung des zu greifenden Beads, sei es nun ein Bead-Rohling oder ein Wirkstoff-Bead, in gewissen Grenzen unschädlich ist.
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Der Arbeitsfluidkanal des Werkzeugs gestattet, den von der Druckveränderungsvorrichtung bezüglich des Umgebungsdrucks geänderten Druck an der Bead-Kontaktfläche wirken zu lassen, so dass der Druck des Arbeitsfluids an geeigneter Stelle entfernt von dem empfindlichen Bead in geeigneter Weise verändert werden kann und so durch den Arbeitsfluidkanal an der Bead-Kontaktfläche ein Unterdruck-Greifen des Beads möglich ist.
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Das Arbeitsfluid, in der Regel ein Gas, wie etwa Luft, Stickstoff, Argon und dergleichen, dient als Kraftvermittler.
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Die Druckveränderungsvorrichtung kann dabei dauerhaft mit dem Werkzeug gekoppelt sein oder kann durch geeignete Kopplungsmechanismen mit dem Werkzeug, vorzugsweise lösbar, koppelbar sein.
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Beim Unterdruck-Greifen von Beads ist jedoch darauf zu achten, dass der Unterdruck so niedrig gewählt ist, dass der Bead mit der Bead-Kontaktfläche so belastbar verbunden ist, dass die Greifkraft zwischen Bead-Kontaktfläche und Bead das Eigengewicht des Beads übersteigt. Gleichzeitig sollte der Unterdruck so hoch gewählt sein, dass der Bead nicht durch druckdifferenzinduzierte Kärfte beschädigt wird.
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Da ein Bead, wie oben bereits ausgesagt ist, idealerweise eine Kugelgestalt aufweist, kann eine besonders vorteilhafte Flächenberührung zwischen Bead-Kontaktfläche und Bead dadurch hergestellt werden, dass die Bead-Kontaktfläche bezüglich zwei zueinander orthogonaler Bezugsachsen konkav geformt ist.
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Ein ausreichender Schmiegekontakt zwischen der Bead-Kontaktfläche und dem Bead kann dabei bereits durch eine grob-konkave Ausgestaltung der Bead-Kontaktfläche erhalten werden, etwa durch eine negativ-konische Gestalt. Mit „negativ-konisch” soll ausgesagt sein, dass eine Positivabbildung der konkaven Bead-Kontaktfläche zumindest abschnittsweise Kegelgestalt aufweist, wenn man die Bead-Kontaktfläche hypothetisch als Formwerkzeug nutzen würde. Die negativ-konische Form schließt dabei die negativ-kegelstumpfförmige Gestalt der Bead-Kontaktfläche mit ein.
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Eine besondere gute schmiegende Anlage der Bead-Kontaktfläche an den Bead wird durch eine negativ-kugelkalottenförmige Gestalt der Bead-Kontaktfläche erzielt, wobei insbesondere der Krümmungsradius der Bead-Kontaktfläche den Krümmungsradius des damit zu greifenden Beads vorzugsweise um nicht mehr als 30%, besonders bevorzugt um nicht mehr als 20%, höchst bevorzugt um nicht mehr als 10%, übersteigen sollte. Zur Erleichterung des Aufnehmens und Ablegens von Beads ist es im Zweifelsfall vorteilhafter, den Krümmungsradius der Bead-Kontaktfläche bei negativ-kugelkalottenförmiger Ausgestaltung größer zu wählen als den Krümmungsradius der Außenoberfläche des Beads, wenngleich auch eine kleinere Krümmung der Bead-Kontaktfläche nicht grundsätzlich ausgeschlossen sein soll.
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Um zu vermeiden, dass der im gegriffenen Zustand häufig nur bedingt formstabile Bead durch den Unterdruck im Arbeitsfluidkanal zu stark punktuell mit Unterdruck belastet wird, kann vorgesehen sein, dass in der Bead-Kontaktfläche eine Mehrzahl von Öffnungen vorgesehen sind, von welchen jede mit dem Arbeitsfluidkanal verbunden ist.
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Durch die Mehrzahl von Öffnungen kann der Unterdruck im Arbeitsfluidkanal auf eine verglichen mit dem Arbeitsfluidkanalquerschnitt größere Fläche in der Bead-Kontaktfläche verteilt werden, was die auf den Bead einwirkende flächenbezogene Greifbelastung reduziert.
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Gemäß einer Ausgestaltungsform kann ausgehend von jeder aus der Mehrzahl von Öffnungen je ein Kanal ausgebildet sein, welcher gesondert von den übrigen Öffnungen die zugeordnete Öffnung mit dem Arbeitsfluidkanal verbindet. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Mehrzahl von Öffnungen vorhanden sein, welche über Kanäle in einen gemeinsamen Raum münden, der strömungsmechanisch mit dem Arbeitsfluidkanal verbunden ist, wodurch sichergestellt ist, dass der im Arbeitsfluidkanal herrschende Arbeitsfluiddruck auch an den einzelnen, strömungsmechanisch mit ihm verbundenen Öffnungen wirksam ist.
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Eine besonders schonende Möglichkeit, unvollständig ausgehärtete Bead-Rohlinge zu greifen, bildet eine Weiterbildung des Werkzeugs, gemäß welcher die Bead-Kontaktfläche aus einem gesinterten Material gebildet ist, wobei die Öffnungen durch Zwischenräume zwischen benachbarten und durch Sintern verbundenen Sinterpartikeln gebildet sind. Durch die Sinterpartikel, welche sich nur partiell berühren, so dass zwischen benachbarten Sinterpartikeln Zwickelvolumina verbleiben, werden eine Vielzahl von Öffnungen bereitgestellt, welche durch die genannten Zwickelvolumina durch eine ebensolche Vielzahl von Kanälen strömungsmechanisch untereinander sowie mit dem Arbeitsfluidkanal verbunden sind.
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Dabei können die zur Ausbildung der Öffnungen und Kanäle wichtigen Zwickelvolumina dann besonders sicher erhalten werden, wenn die Sinterpartikel im Ausgangszustand vor dem Sintern eine im Wesentlichen runde Oberfläche aufweisen, vorzugsweise im Wesentlichen kugelförmig sind.
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Zur Vermeidung von Beschädigungen des Beads, sei es ein Bead-Rohling oder ein fertiger Wirkstoff-Bead, durch den unmittelbaren Kontakt zwischen Bead-Kontaktfläche und Bead, ist es vorteilhaft, wenn die Bead-Kontaktfläche wenigstens eine geschliffene, vorzugsweise eine polierte Oberfläche aufweist.
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Die zuvor angesprochene Koppelbarkeit des Werkzeugs mit einer Druckveränderungsvorrichtung kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass sich das Werkzeug im Wesentlichen längs einer Werkzeuglängsachse erstreckt, wobei an einem axialen Kontakt-Längsende die Bead-Kontaktfläche und an dem jeweils anderen, dem Kontakt-Längsende entgegengesetzten Kopplungs-Längsende, eine Kopplungsgeometrie vorgesehen sind.
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Da Pipettiervorrichtungen funktionsbedingt über eine Druckveränderungsvorrichtung zur Veränderung eines Drucks eines Arbeitsfluids verfügen, ist es besonders vorteilhaft, das Werkzeug zur Ankopplung an einen Pipettierkanal einer Pipettiervorrichtung auszubilden, was durch geeignete Gestaltung der Kopplungsgeometrie ohne Weiteres erreichbar ist. Die Kopplungsgeometrie des Werkzeugs kann beispielsweise eine im Wesentlichen aus dem Stand der Technik bekannte Gestalt von Kopplungsgeometrien von Pipettierspitzen aufweisen oder zumindest abschnittsweise diesen nachgebildet sein.
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Da Versuche gezeigt haben, dass Unterdruckgreifer, wie sie oben beschrieben sind, nicht nur zum Greifen von Starrkörpern, sondern überraschenderweise auch zum Greifen von unvollständig ausgehärteten gelartigen Körpern einsetzbar sind, stellt auch die Verwendung eines Werkzeugs, wie es oben beschrieben wurde, zum wahlweisen Greifen oder Loslassen eines gelartigen Körpers eine Lösung der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe dar.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden. Diese zeigen eine erfindungsgemäße Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es stellt im Einzelnen dar:
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1: eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Werkzeugs zur Handhabung von Wirkstoff-Beads und von Bead-Rohlingen,
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2: eine Längsschnittansicht durch das Werkzeug von 1 und
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3: eine vergrößerte Ansicht des Details III von 2.
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Ein perspektivisch dargestelltes Werkzeug zur Handhabung von Wirkstoff-Beads und Bead-Rohlingen ist in 1 allgemein mit 10 bezeichnet.
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Das Werkzeug 10 erstreckt sich vorzugsweise längs einer Werkzeuglängsachse W, die bevorzugt eine Rotationssymmetrieachse des vorteilhafterweise rotationssymmetrisch ausgestalteten Werkzeugs 10 Ist.
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Das Werkzeug weist an seinem einen axialen Längsende, welches nachfolgend als Kontakt-Längsende 12 bezeichnet werden wird, eine negativ-konusförmige Bead-Kontaktfläche 14 auf, welche, wie die 2 und 3 zeigen, als Schmiege-Anlagefläche für idealerweise kugelförmige Beads vorgesehen ist.
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Das entgegengesetzte axiale Längsende, welches nachfolgend als Kopplungs-Längsende 15 bezeichnet werden wird, weist eine an sich bekannte Kopplungsgeometrie 16 auf, welche zur lösbaren Ankopplung des Werkzeugs 10 an einen nicht dargestellten Pipettierkanal einer weiter nicht dargestellten Pipettiervorrichtung ausgebildet ist.
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Zwischen seinen axialen Längsenden 12 und 15 weist das Werkzeug 10 einen im dargestellten Beispiel im Wesentlichen geraden Kanalabschnitt 18 auf, welcher das Kontakt-Längsende 12 und das Kopplungs-Längsende 15 strömungsmechanisch durch einen darin ausgebildeten, mit Arbeitsfluid gefüllten Arbeitsfluidkanal 20 verbindet.
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Die Bead-Kontaktfläche 14 weist hierzu eine Öffnung 22 auf, an welche der Arbeitsfluidkanal 20 anschließt.
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Ebenso weist die Kopplungsgeometrie 16 eine Öffnung 24 auf, an welche wiederum der Arbeitsfluidkanal 20 anschließt. Dadurch ist es möglich, den Druck des Arbeitsfluids, etwa Luft, oder ein quasi-inertes oder inertes Gas, im Arbeitsfluidkanal 20 mittels einer an das Kopplungs-Längsende 15 angekoppelten Pipettiervorrichtung oder einer beliebigen anderen Druck veränderungsvorrichtung zu verändern, um so beispielsweise im Bereich der Öffnung 22 der Bead-Kontaktfläche 14 bezüglich des Umgebungsdrucks des Werkzeugs 10 eine Unterdrucksituation zu schaffen, welche geeignet ist, die strichliniert angedeuteten, idealerweise kugelförmigen Beads 26 und 28 an der Bead-Kontaktfläche 14 für die Dauer des Bestehens der Unterdrucksituation zu halten.
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Die strichliniert angedeuteten Beads 26 und 28 können fertig ausgebildete Wirkstoff-Beads sein, welche vorzugsweise ein Bio-Polymer, besonders bevorzugt Agarose, als Trägermaterial umfassen, in das ein Wirkstoff oder ein einen Wirkstoff erzeugendes Material eingebettet ist. Ebenso können die Beads 26 und 28 unvollständig erstarrte und daher weniger formstabile Bead-Rohlinge sein, die dennoch überraschend mit dem dargestellten, mit einer konkaven. Bead-Kontaktfläche 14 versehenen Unterdruckgreifer gegriffen, zwischen Ort transportiert und dort abgelegt werden können. Zur gezielten Ablage eines ursprünglich gegriffenen Beads, sei es nun ein Bead-Rohling oder ein fertiger Wirkstoff-Bead, kann weiterhin daran gedacht sein, über die angekoppelte Druckveränderungsvorrichtung im Arbeitsfluidkanal 20 und somit im Bereich der Öffnung 22 der Bead-Kontaktfläche 14 einen Überdruckimpuls wirken zu lassen, um so ein Ablösen des Beads von der Bead-Kontaktfläche 14 zu befördern.
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Das Werkzeug 10, insbesondere die Bead-Kontaktfläche 14, kann aus Metall, wie etwa nichtrostendem Stahl oder Aluminium, oder aus Kunststoff hergestellt sein.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Arbeitsfluidkanal 20 nicht bis zur Bead-Kontaktfläche 14 reicht, sondern vorher endet und von ihm eine Vielzahl kleinerer Kanäle zu einer ebensolchen Vielzahl von Öffnungen in der Bead-Kontaktfläche 14 führen, um so den durch die angekoppelte Druckveränderungsvorrichtung veränderten Druck im Arbeitsfluidkanal 20 an der Bead-Kontaktfläche 14 wirken zu lassen.
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Ebenso kann daran gedacht sein, die Bead-Kontaktfläche 14 aus einem homogenen Sintermaterial derart zu bilden, dass zwischen den einzelnen Sinterpartikeln Zwickelvolumina verbleiben, die eine Strömung von Arbeitsfluid, vorzugsweise einem Gas, wie etwa Luft, oder einem inerten oder quasi-inerten Gas, wie etwa Argon oder Stickstoff, ermöglicht.
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Vorzugsweise ist die Bead-Kontaktfläche 14 rauigkeitsverringernd oberflächenbehandelt, um durch den Berührkontakt mit dem Bead im gegriffenen Zustand eine Beschädigung desselben möglichst zu vermeiden. Hierzu kann die Bead-Kontaktfläche 14 geschliffen oder sogar poliert ausgeführt sein.
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Wie in den 2 und 3 zu erkennen ist, ist die negativ-konusförmige Bead-Kontaktfläche größentolerant hinsichtlich der zu greifenen Beads.
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Alternativ hierzu kann auch daran gedacht sein, die Bead-Kontaktfläche negativ-kugelkalottenförmig auszubilden, wobei dann vorzugsweise der Krümmungsradius der negativ-kugelkalottenförmigen Bead-Kontaktfläche größer gewählt sein sollte als der Krümmungsradius des damit zu greifenden Beads.
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Die vorzugsweise um zwei zueinander orthogonale Bezugsachsen konkav gekrümmte Bead-Kontaktfläche sorgt für einen schmiegenden, flächigen Anlageeingriff zwischen der Bead-Kontaktfläche und dem Bead, wodurch selbst bei unvollständig verfestigten Bead-Rohlingen aufgrund der niedrigen Flächenpressung im gegriffenen Zustand ein sicheres und vor allen Dingen beschädigungsfreies Greifen und Lösen möglich ist.
