Im Analysegerät Gyrolab xPlore sind bürstenlose DC-Servomotoren von Faulhaber verbaut. Sie bewegen unter anderem den Pipettierarm beim Probentransfer.

Bild: iStock, dra_schwartz

Bürstenlose DC-Servomotoren Exakt positionieren im Labor

16.11.2017

Um maßgeschneiderte Biologika zu entwickeln, die verschiedene Krebsarten gezielt bekämpfen können, müssen Forscher viele potentiell geeignete Arzneimittel untersuchen. Ein spezielles Analysegerät erleichtert die Suche. Für die nötige Geschwindigkeit und Präzision bei der Handhabung der Proben sorgen bürstenlose DC-Servomotoren.

Bei Biologika handelt es sich um große Moleküle, deren Aufbau zu komplex ist, um sie synthetisch herzustellen. Stattdessen werden sie von lebenden, meist gentechnisch veränderten Zellen produziert, die im Labor extra für diese Zwecke gezüchtet wurden. Die meisten Biologika sind Proteine.

In eine Proteinart legen Krebsforscher besonders große Hoffnungen: die Antikörper. Antikörper werden von spezialisierten Zellen des Immunsystems gebildet. Sie erkennen bestimmte Proteine (etwa von Bakterien oder Viren, die bei einem Infekt in den Körper eindringen) und docken an diese an. So werden die Krankheitserreger neutralisiert oder für den Abbau durch Fresszellen markiert. Auch Krebszellen lassen sich so bekämpfen.

Jedes Schloss hat seinen Schlüssel

Für den Wirkstoffnachweis kann man sich die besondere Bindungseigenschaft zwischen dem Antikörper und seinem Zielprotein (dem sogenannten Antigen) zunutze machen. Ähnlich wie zu einem Schloss nur ein bestimmter Schlüssel passt, ist auch die Bindung dieser beiden Proteine sehr spezifisch. Antigen und Antikörper erkennen einander auch unter Milliarden anderer Moleküle.

Um die Konzentration eines Antikörpers in der Probenflüssigkeit zu bestimmen, wird sein Antigen in einem kleinen Bereich der Kanalwand fixiert. Fließt nun der Antikörper im Kanal am Antigen vorbei, wird er von diesem in der Flüssigkeit entdeckt und festgehalten. Nach demselben Prinzip bindet sich anschließend ein zweiter Antikörper, der mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert ist, an den ersten. Wird der Farbstoff mit Hilfe eines Lasers angeregt, lässt sich die Konzentration des Antikörpers in der Probe durch eine Analyse des emittierten Lichts bestimmen.

Das Herz des Miniaturlabors

Für diese Zwecke hat das schwedische Unternehmen Gyros das Analysegerät Gyrolab xPlore entwickelt. Auf den ersten Blick sieht es aus wie ein großer Laserdrucker. Unter der Haube verbirgt sich jedoch ein Labor im Miniaturformat. Das Herzstück des Geräts bildet eine Kunststoffscheibe im Format einer CD. Auf ihr findet die eigentliche Probenanalyse statt.

Die Scheibe enthält ein System von Kanälen, deren Durchmesser weniger als ein Millimeter beträgt. Mit Hilfe der Kapillar- und der Zentrifugalkraft werden die Proben durch das Kanalsystem bewegt und dabei analysiert. Dazu wird die Probenflüssigkeit in die Vertiefungen einer Mikrotiterplatte pipettiert und anschließend in das Instrument gesetzt. Ein Roboterarm transportiert die Probe auf die Kunststoffscheibe. Dort saugt die Kapillarkraft sie in den vorgesehenen Kanal.

Test wird vollautomatisch durch Software gesteuert

Für den Test wird nur eine winzige Flüssigkeitsmenge benötigt (je nach Format der Scheibe 20 oder 200 Nanoliter). Die genaue Flüssigkeitsmenge wird direkt auf der Kunststoffscheibe abgemessen. Dazu erweitert sich der Kanal zu einer Kammer, die exakt das definierte Volumen fasst. An ihrem äußeren Ende befindet sich ein hydrophober Bereich, der ein weiteres Hineinfließen der Flüssigkeit in den Kanal verhindert. Nun beginnt die Scheibe zu rotieren. Die einsetzende Zentrifugalkraft sorgt dafür, dass Probenflüssigkeit, die sich oberhalb der Kammer befindet, durch einen Überlaufkanal abgeleitet wird. Anschließend steigert das Gerät die Rotationsgeschwindigkeit so lange, bis die Probe die hydrophobe Barriere überwindet und in den nächsten Bereich übertritt. Nach demselben Prinzip können weitere Reagenzien zugegeben und Waschvorgänge durchgeführt werden.

Der gesamte Prozess läuft vollautomatisch ab. Die mitgelieferte Software steuert die einzelnen Schritte. „Die Automatisierung reduziert nicht nur den Arbeitsaufwand, sondern auch die Fehleranfälligkeit“, ergänzt die Marketingleiterin bei Gyros, Maria Hjortsmark. Ob in der Nährlösung der Zellen oder im Blut von Versuchstieren beziehungsweise Patienten, das Analysegerät lässt sich in jeder Phase der Entwicklung von Biologika einsetzen. Mit einer einzigen Kunststoffscheibe können bis zu 112 Datenpunkte parallel erzeugt werden, was wertvolle Zeit und Arbeitskraft spart. Die Mikrostruktur der Scheibe sorgt zudem für Einsparungen sowohl beim Probenmaterial als auch bei den Reagenzien.

Top Speed für hohen Durchsatz

Das Gerät basiert auf einem am Markt bewährten Vorgängermodell, das in einem Durchlauf fünf Kunststoffscheiben analysieren kann. Für Unternehmen mit geringerem Durchsatz oder für kleinere Abteilungen großer Pharmafirmen war dieses Gerät jedoch immer eine Nummer zu groß. Hier bietet der Gyrolab xPlore eine maßgeschneiderte Alternative. Bei seiner Konstruktion bestand eine wichtige Anforderung darin, dass es seinem großen Bruder in Sachen Geschwindigkeit in nichts nachsteht. Sein Roboterarm muss die Proben ebenso schnell und zuverlässig transportieren.

Allerdings werden die schnellen Schrittmotoren, die den Roboterarm des großen Analysegeräts bewegen, mittlerweile nicht mehr hergestellt. Auf der Suche nach Alternativen wandte sich der Hersteller an Compotech Provider. Pelle Almgren von Compotech fasst die Anforderungen an den eingesetzten Antrieb zusammen: „Die Motoren müssen eine hohe Geschwindigkeit erreichen, ohne Abstriche beim Drehmoment zu machen. Wir haben uns deshalb entschieden, die Schrittmotoren durch leistungsstarke Servomotoren zu ersetzen.“

Die Wahl fiel auf bürstenlose DC-Servomotoren der Serie BX4 aus dem Hause Faulhaber (in Vierpoltechnik und mit einem Drehmoment von 8,5 bis 165 mNm). Diese dreiphasigen eisenlosen Motoren eignen sich für hochdynamische Anwendungen, die hohe Drehmomente auf sehr beengtem Raum erfordern. Die Motoren sind mit Inkrementalgebern ausgestattet. Aufgrund ihrer kompakten Bauweise (22 mm Durchmesser, 74 mm Länge) sind sie nur wenig größer als die Schrittmotoren des Vorgängermodells.

Im Gyrolab xPlore wurden drei solcher Servomotoren verbaut. Zwei von ihnen sind auf einem Lineartisch montiert. Sie bewegen den Pipettierarm beim Probentransfer in horizontaler Richtung und steuern die Bewegung des Lasers bei der Analyse. Der dritte Motor ist mit einem Planetengetriebe ausgestattet und sorgt für das Heben und Senken des Pipettierkopfes. Dank präziser Regelelektronik und konstantem Drehmoment lassen sich die Proben auf der Kunststoffscheibe zielgenau am Eingang des jeweiligen Kanals positionieren. Die eingesetzten Motoren gewährleisten zudem, dass das Analysegerät den hohen Geschwindigkeitsanforderungen gerecht wird. Maria Hjortsmar erläutert: „Um 112 Datenpunkte zu erzeugen, braucht der Gyrolab xPlore weniger als eine Stunde.“

Bildergalerie

  • Im komplexen Kanalsystem auf der durchsichtigen Scheibe werden alle Proben analysiert.

    Bild: Faulhaber

  • Der bürstenlose DC-Servomotor Faulhaber BX4 treibt das Gyrolab xPlore an.

    Bild: Faulhaber

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