On the Automation of Tissue Engineering in Research

Das Tissue Engineering zielt darauf ab, Gewebe und Organe im Labor zu züchten und damit die Medizin grundlegend zu verändern – sowohl durch (1) die Implantation von im Labor gezüchteten Geweben zur Bewältigung des Spende-Organmangels als auch durch (2) die Entwicklung präziser und ethisch vertretbarer Modelle für die Arzneimittelprüfung. Eine großflächige Anwendung wird jedoch derzeit noch durch Herausforderungen in Reproduzierbarkeit, Qualität und Durchsatz begrenzt. Automatisierung spielt eine entscheidende Rolle, um diese Hürden zu überwinden. Da die Prozesse in diesem Forschungsfeld häufigen Änderungen unterliegen, ist es entscheidend die Automatisierung flexibel und anpassbar zu gestalten. Diese Dissertation stellt Methoden zur Förderung einer flexiblen, modularen Automatisierung im Tissue Engineering vor. Sie behandelt sowohl die Intra-Prozess-Automatisierung innerhalb einzelner Module als auch die Inter-Prozess-Automatisierung zur Vernetzung dieser Module. Am Beispiel der Formgebung von Biomaterialien - einer von vielen Aufgaben im Tissue Engineering - wird zunächst ein kamerabasiertes Überwachungssystem für die inverse Gelation vorgestellt, einen Prozess zur Herstellung von gekapselten Mikroumgebungen. In Kombination mit einem Convolutional Neural Network verbessert dieses System die Prozesseffizienz beim Parameter-Tuning und steigert die Reproduzierbarkeit des Prozesses. Für den Bioextrusionsdruck, bei dem die Automatisierung bereits weiter fortgeschritten ist als bei der inversen Gelation, wird ein neuartiger Bioextrusionsdruckkopf vorgestellt. Er ermöglicht eine flussratenkontrollierte Extrusion, ohne dass ein Sensor in direkten Kontakt mit dem Biomaterial treten muss. Es wird so ein konstanter Materialfluss auch unter herausfordernden, heterogenen Bedingungen ermöglicht ohne, dass durch den Sensor ein erhöhtes Risiko für die empfindlichen Zellen besteht. Diese Innovation erhöht die Reproduzierbarkeit und Qualität der gedruckten Strukturen, während die Materialintegrität erhalten bleibt. Abschließend werden eine sterile robotische Werkbank sowie ein nachgiebiger Greifer zur Handhabung empfindlicher Gewebe in Mikrotiterplatten präsentiert. Ihre einfache Reinigbarkeit und geringe Partikelemission ermöglichen einen sterilen Betrieb und senken so das Risiko von Kontamination. Die Integration dieser Module in ein Gesamtsystem erlaubt eine vollständige Automatisierung, die den Durchsatz steigert und gleichzeitig hohe Qualität sowie eine robuste Dokumentation sicherstellt. Insgesamt leistet diese Arbeit einen Beitrag zur Etablierung einer flexiblen, modularen Automatisierung als Grundlage für ein reproduzierbares, skalierbares und qualitativ hochwertiges Tissue Engineering.