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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die automatisierte Handhabung von biokompatiblem Material gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Zum Kultivieren tierischer oder menschlicher Zellen werden die Zellen üblicherweise in eine Mikrotiterplatte pipettiert. Dort sedimentieren die Zellen dann in der in den Näpfchen enthaltenen Nährlösung und setzen sich am Boden ab, wo sie sie sich mit einer vorgegebenen Teilungsrate teilen, die im Wesentlichen von den in der Nährlösung enthaltenen Wachstumsfaktoren abhängig ist. Nach wenigen Tagen bildet sich am Boden der Näpfchen ein sogenannter Zellrasen, der den Boden vollständig bedeckt. Dieser Zellrasen ist jedoch nur eine begrenzte Zeit stabil. Wenn die Zellen zu lange in der Mikrotiterplatte verbleiben, tritt i.d.R. eine so genannte Apoptose auf, d.h. die Zellen heben sich vom Boden der Näpfchen ab und sterben. Es ist daher erforderlich, in regelmäßigen Abständen eine Passage durchzuführen, bei der die Zellen vom Boden der Näpfchen mittels eines Enzyms abgelöst, gewaschen, vereinzelt und erneut in eine andere Mikrotiterplatte pipettiert werden, in der sie von neuem kultiviert werden. Dieser Prozess wird bislang üblicherweise von Hand durchgeführt und ist daher relativ aufwendig.
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Aus dem Stand der Technik ist es darüber hinaus bekannt, beim Züchten von Zellkulturen ein biokompatibles Substrat (auch Scaffold genannt) zu verwenden, auf dem die Zellen wachsen. Die Zellen werden in diesem Fall auf das Substrat aufpipettiert und besiedeln dessen Oberfläche. Als geeignete Substrate haben sich insbesondere Substrate aus mikrokristalliner Zellulose (d.h. Zellulose, die mittels Zellulose bildender Mikroorganismen hergestellt wurde) erwiesen. Damit lassen sich z. B. 3D-Zellkulturen aus menschlichen oder tierischen Zellen herstellen. Beim Erzeugen solcher Zellkulturen stellt sich wiederum das Problem der Handhabung des Substrats bzw. der auf dem Substrat gewachsenen Zellkultur.
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Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung für die automatisierte Handhabung eines Substrats aus biokompatiblem Material, insbesondere eines Zelluloseplättchens, zu schaffen, mit der das biokompatible Material z. B. in ein Näpfchen einer Mikrotiterplatte eingesetzt, daraus entnommen oder im Allgemeinen transportiert werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 14 angegebenen Merkmale. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung für die automatisierte Handhabung eines biokompatiblen Materials, insbesondere eines Plättchens aus mikrokristalliner Zellulose, vorgeschlagen, die eine magnetische Halterung zum Halten des biokompatiblen Materials und wenigstens einen Magneten umfasst, der relativ zur Halterung bewegbar ist. Der Magnet kann z. B. als Permanentmagnet oder als Elektromagnet ausgeführt sein. Um eine magnetische Halterung mittels des Magneten aufzunehmen, muss der Magnet lediglich in die Nähe der magnetischen Halterung gebracht werden, so dass diese vom Magneten angezogen wird. Sobald die Halterung aufgenommen wurde, kann sie an einen anderen Ort bewegt werden. Es ist somit in einfacher Weise möglich, eine Halterung aufzunehmen, abzusetzen oder an einen anderen Ort zu transportieren.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die für den Einsatz an Mikrotiterplatten ausgelegt ist, umfasst die Vorrichtung für die automatisierte Handhabung eines biokompatiblen Materials mehrere Magnete. Wenn die Magnete von oben an den Deckel einer Mikrotiterplatte angenähert werden, werden die in den Näpfchen der Mikrotiterplatte befindlichen Halterungen vom Boden der Näpfchen abgehoben und legen sich von unten an den Deckel der Mikrotiterplatte an. Die gesamte Anordnung aus Magneten, Deckel und Halterungen kann dann von der Mikrotiterplatte abgehoben und an einen anderen Ort transportiert werden.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung für die automatisierte Handhabung eines biokompatiblen Materials mehrere Magneten, die fest an einem Träger angeordnet sind. Zum Bewegen des Magnetträgers kann beispielsweise ein Roboter mit einem Elektroantrieb verwendet werden; der Träger könnte aber auch von Hand bedient werden.
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Der bzw. die Magneten können beispielsweise stabförmig gebildet sein. Sie können beispielsweise von einer Trägerplatte nach unten weg ragen.
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Um eine oder mehrere Halterungen gleichzeitig aufzunehmen, wird die Trägerplatte an die Halterung(en) angenähert, bis diese von den Magneten angezogen werden.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung sind die Magneten jeweils mittels einer Federanordnung beweglich angeordnet, so dass sie in Richtung der Flächennormale der vom Deckel aufgespannten Fläche vor und zurück bewegt werden können. Zum Betätigen der Magnete ist in diesem Fall vorzugsweise eine Betätigungsvorrichtung vorgesehen.
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Die Betätigungsvorrichtung kann einen oder mehrere Druckstempel umfassen, die von oben gegen die Magneten drücken, wenn die Betätigungsvorrichtung in Richtung des Deckels der Mikrotiterplatte abgesenkt wird.
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Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Druckstempel vorgesehen, die vorzugsweise an einem gemeinsamen Träger angeordnet sind.
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Um mehrere Halterungen gleichzeitig aufzunehmen, werden die Magneten mittels der Betätigungsvorrichtung gegen die Federkraft der Federanordnung nieder gedrückt und gelangen somit näher an die magnetischen Halterungen. Sobald die magnetische Kraft ausreichend groß ist, werden die magnetischen Halterungen vom Boden der Näpfchen abgehoben und legen sich von unten an den Deckel der Mikrotiterplatte an. Durch Abheben des Deckels können die Halterungen gemeinsam weiter transportiert werden.
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Die beweglichen Magnete der zweiten Ausführungsform können z. B. auf einem Deckel einer Mikrotiterplatte oder an einem anderen, vorzugsweise nicht-magnetischen Träger befestigt sein. Alternativ könnten sie auch an der Betätigungsvorrichtung zum Betätigen der Magnete angeordnet sein.
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Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung sind die beweglich gelagerten Magneten in einem Gehäuse angeordnet, in dem sie zwischen einer ersten Position, in der sie weiter vom Deckel entfernt sind, und einer zweiten Position, in der sie sich näher am Deckel befinden, bewegt werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann ein Rast- oder Haltemechanismus vorgesehen sein, mittels dessen der Magnetträger oder die Betätigungsvorrichtung mit dem Deckel einer Mikrotiterplatte lösbar verbunden werden kann. Wenn der Magnetträger oder die Betätigungsvorrichtung in Richtung des Deckels abgesenkt wird, verbinden sich die beiden Elemente automatisch miteinander. Der Deckel der Mikrotiterplatte kann dann z. B. von einem Roboter abgehoben werden. Das Aufnehmen und Weitertransportieren der magnetischen Halterungen kann somit in einem einzigen Arbeitsschritt erfolgen. Der vorstehend genannte Rast- oder Haltemechanismus kann z. B. am Magnetträger vorgesehene Rastnasen oder andere Rastmittel umfassen. Auch die Betätigungsvorrichtung zum Betätigen der Magneten kann entsprechende Rastmittel aufweisen.
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Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Betätigungsvorrichtung erste Rastmittel, die beispielsweise mit am Deckel vorgesehenen zweiten Rastmitteln zusammen wirken. Bei der Ausführungsform mit federnd gelagerten Magneten, die an der Oberseite eines Deckels befestigt sind, können die zweiten Rastmittel auch an einem Gehäuse der Magneten vorgesehen sein.
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Der Magnetträger oder die Betätigungsvorrichtung können auch derart ausgebildet sein, dass einzelne Magnete oder einzelne Betätigungselemente individuell ansteuerbar sind. Dadurch wäre es möglich, nur bestimmte Halterungen aufzunehmen oder abzulegen.
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Eine erfindungsgemäße Halterung umfasst vorzugsweise wenigstens ein Rahmenelement aus einem magnetischen Material, wie z.B. einem ferromagnetischen Metall. Die Halterung kann wahlweise auch aus einem nicht-magnetischen Material, wie z.B. Kunststoff hergestellt sein und wenigstens ein Element aus magnetischem Material enthalten.
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Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung kann die Halterung auch einen Speicherchip umfassen, auf dem beispielsweise Daten über die auf dem biokompatiblen Material gewachsene Zellkultur oder Prozessdaten enthalten sein können.
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Die erfindungsgemäße Halterung ist vorzugsweise wenigstens zweiteilig gebildet, wobei das biokompatible Material von den beiden Teilen eingefasst wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine seitliche Schnittansicht einer Mikrotiterplatte und einer Vorrichtung für die automatisierte Handhabung von biokompatiblem Material, wobei sich die Vorrichtung in einem ersten Zustand befindet;
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2 die Schnittansicht von 1, wobei sich die Vorrichtung in einem zweiten Zustand befindet;
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3 eine vergrößerte Schnittansicht einer Mikrotiterplatte und einer Vorrichtung für die automatisierte Handhabung von biokompatiblem Material gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei sich die Vorrichtung in einem ersten Zustand befindet;
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4 die Schnittansicht von 3, wobei sich die Vorrichtung in einem zweiten Zustand befindet;
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5 eine Aufsicht auf eine Halterung zum Halten von biokompatiblem Material; und
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6 eine Querschnittsansicht der Halterung von 5.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer Mikrotiterplatte 1 mit mehreren Näpfchen 5 und einer Vorrichtung 2, 3 für die automatisierte Handhabung von Halterungen 6 zum Halten eines Plättchens 17 aus biokompatiblem Material. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Mikrotiterplatte 1 dazu verwendet, eine Zellkultur auf einem biokompatiblen Material (dem sogenannten Scaffold) zu züchten. Das biokompatible Material kann beispielsweise ein Plättchen 17 (siehe 6) aus mikrokristalliner Zellulose sein.
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In dem in 1 gezeigten Zustand befinden sich in den Näpfchen 5 der Mikrotiterplatte 1 jeweils eine Nährlösung 9 mit Wachstumsfaktoren für die Zellkultur und eine Halterung 6 mit einem Zelluloseplättchen 17. Nach dem Aufpipettieren der Zellen in die einzelnen Näpfchen 5, besiedeln die Zellen die Oberfläche des Zelluloseplättchens 17. Nach wenigen Tagen bildet sich auf dem Plättchen 17 ein sogenannter Zellrasen, der die gesamte Fläche des Plättchens 17 bedeckt.
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Das Einlegen der Halterungen 6 in die Näpfchen 5 und das Herausnehmen der Halterungen 6 mit der fertigen Zellkultur erfolgt hier automatisiert mittels einer im oberen Teil der Figur dargestellten Vorrichtung 2, 3. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst im dargestellten Beispiel einen abnehmbaren Deckel 2 für die Mikrotiterplatte 1 und eine Trägerplatte 3 mit mehreren Magneten 4, die an der Unterseite der Trägerplatte 4, jeweils an den Positionen der Näpfchen 5, angeordnet sind. Die einzelnen Magneten 4 sind hier stabförmig gebildet, könnten aber auch eine andere Form aufweisen.
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Die Halterungen 6 bestehen aus einem magnetischen Material, wie z.B. einem ferromagnetischen Metall oder umfassen wenigstens ein magnetisches Element 10 (siehe 5), das von den Magneten 4 angezogen werden kann. Um die Halterungen 6 aufzunehmen und einer weiteren Bearbeitung zuzuführen, wird die Trägerplatte 3 in Richtung des Pfeils A abgesenkt, wodurch sich die einzelnen Magneten 4 den in den Näpfchen befindlichen Halterungen 6 annähern.
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2 zeigt eine Aufnahmeposition, in der die Magnete 4 am Deckel 2 anstehen. Durch die auf die Halterungen 6 wirkenden Magnetkräfte werden diese in Richtung der Magneten angehoben, bis sie gegen die Unterseite des Deckels 2 stoßen. In dieser Position bleiben sie fixiert, bis die Trägerplatte 3 mit dem Magneten 4 vom Deckel 2 entfernt wird. Um die Halterungen gemeinsam einer weiteren Bearbeitungsstation zuzuführen, muss lediglich die gesamte Anordnung aus Deckel 2 und der obenauf liegenden Trägerplatte 3 von der Mikrotiterplatte 1 abgenommen werden. Dies kann beispielsweise von Hand oder automatisch erfolgen. Bei einer automatischen Ausführung kann beispielsweise die Trägerplatte 3 von einem Roboter betätigt werden.
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Um die Handhabung der Plättchen 17 zu vereinfachen, kann am Deckel 2 und am Träger 3 ein Rastmechanismus (nicht gezeigt) vorgesehen sein, mittels dessen die beiden Teile 2, 3 lösbar miteinander verbunden werden können. Im verbundenen Zustand können beide Teile 2, 3 gemeinsam transportiert werden.
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3 zeigt eine vergrößerte Detailansicht einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für die automatisierte Handhabung von biokompatiblem Material, das von einer magnetischen Halterung 6 gehalten wird. Bei dieser Ausführungsform sind wiederum mehrere Magnete 21 (von denen nur einer gezeigt ist) vorgesehen, die in einem Gehäuse 20 angeordnet sind. In dem Gehäuse 20 befindet sich eine Feder 22, die den Magneten 21 in einer von der Halterung 6 entfernten Position vorspannt (inaktive Position). Außerdem ist eine Betätigungsvorrichtung 24 mit mehreren Druckstempeln 23 vorgesehen, die an der Unterseite der Betätigungsvorrichtung 24 nach außen weg ragen. Die Druckstempel 23 sind in diesem Ausführungsbeispiel stabförmig gebildet, können aber auch eine andere Form aufweisen. Die Betätigungsvorrichtung 24 einschließlich der Druckstempel 23 ist vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt.
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Wenn die Betätigungsvorrichtung 24 nach unten abgesenkt wird, werden die Druckstempel 23 gegen die Oberseite der Magneten 21 gedrückt, bis die in 4 gezeigte Position erreicht ist. In dieser Position befindet sich der Magnet 21 näher an der magnetischen Halterung 6, so dass das magnetische Feld ausreicht, um die Halterung 6 anzuziehen. Letztere bewegt sich daher nach oben, bis sie gegen die Unterseite des Deckels 2 stößt. Durch gleichzeitiges Abnehmen des Deckels 2 und der Betätigungseinrichtung 24 können wiederum mehrere Halterungen gemeinsam transportiert werden.
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Um die Betätigungsvorrichtung 24 und den Deckel 2 lösbar miteinander zu verbinden, kann ein Rastmechanismus vorgesehen sein (nicht gezeigt). Dieser kann z. B. eine oder mehrere an den Druckstempeln 23 angeordnete Rastnasen und eine korrespondierende, in dem Gehäuse 20 vorgesehene Ausnehmung umfassen. Beim Anheben der Betätigungsvorrichtung 24 werden somit auch der Deckel 2 und die an der Unterseite des Deckels 2 angeordneten Halterungen 6 mitgenommen. Zum Lösen der Halterungen 6 von der Unterseite des Deckels 2 muss lediglich die Betätigungsvorrichtung 24 vom Deckel 2 gelöst und nach oben wegbewegt werden. Der Magnet 21 federt dann wieder zurück in die in 3 dargestellte Position. Die Halterungen 6 können somit wieder abgelegt werden.
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5 zeigt eine Ausführungsform einer Halterung 6 von oben, und 6 eine Schnittansicht der Halterung 6 von 5. Die Halterung 6 umfasst zwei Rahmenelemente 12, 13, zwischen denen ein Plättchen 17 aus biokompatiblem Material, wie z.B. mikrokristalliner Zellulose, eingeklemmt wird. Die beiden Rahmenteile 12, 13 sind im Wesentlichen ringförmig gebildet und in ihrem zentralen Bereich jeweils offen, so dass die Oberfläche des Plättchens 17 frei liegt und von Zellen besiedelt werden kann.
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Die Rahmenelemente 12, 13 können beispielsweise aus Metall oder Kunststoff hergestellt sein. Wenn sie aus einem nicht-magnetischen Material bestehen, umfassen sie wenigstens ein magnetisches Element 10, wie z.B. Eisen, so dass sie von den Magneten 4, 21 angezogen werden können. Darüber hinaus ist ein Speicherchip 11 vorgesehen, auf dem beispielsweise Informationen über die Zellkultur oder die Prozessführung gespeichert sein kann.
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Die Halterung 6 umfasst außerdem einen Rastmechanismus 15, 16, mittels dessen die beiden Rahmenelemente 12, 13 lösbar verbunden werden können. Eines der Rahmenteile 12 hat zu diesem Zweck wenigstens eine Ausnehmung 16 mit einer Hinterschneidung; das andere Rahmenteil 13 umfasst eine oder mehrere Rastnasen 15, die in die Ausnehmungen 16 eingreifen, wenn die beiden Rahmenteile zusammengepresst werden. Die Rastnasen 15 als auch die Ausnehmungen 16 zeigen jeweils in Normalrichtung der von den Rahmenelementen 12, 13 aufgespannten Flächen.
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Beim Zusammenfügen der beiden Rahmenelemente 12, 13 wird das Plättchen 17 von den Rastnasen 15 in die Hinterschneidung 16 hineingedrückt oder penetriert. Dabei wird es zum einen gespannt und zum anderen zwischen den Rahmenelementen 12, 13 festgeklemmt.
