Roboter und Kamera arbeiten im Team und übernehmen mehr als eine Aufgabe. Nach diesem Konzept ist eine Automatisierungsplattform in der Fertigung von Kartuschen für die In-Vitro- Diagnostik erfolgreich. Sie könnte aber auch Medizinprodukte montieren, von kleinen Stückzahlen bis zur Serie.
Nur ein winziges Tröpfchen, und das auch bitte exakt an die richtige Stelle. Damit sich diese Anforderung beim automatisierten Pipettieren von Substanzen erfüllen lässt, muss eine Dosiernadel sehr präzise positioniert werden – selbst wenn sich der Zielpunkt nicht exakt definieren lässt. Da stellt sich die Frage, wie sich eine solche Aufgabe effektiv und bezahlbar umsetzen lässt. Die Antwort lautet: mit hochauflösender Kameratechnik und einem modernen Roboter, wie das Beispiel eines Kapillaren-Befüllungsautomaten der Xenon Automatisierungstechnik GmbH aus Dresden zeigt.
Das auf Montage-, Prüf und Verpackungsautomaten spezialisierte Maschinenbauunternehmen hat hierfür eigens eine Maschinenplattform entwickelt, die nicht viel mehr als einen Quadratmeter Platz beansprucht, aber dennoch viele Zusatzfunktionen zulässt. Das wird möglich, weil alle funktionsbestimmenden Komponenten jeweils mehrere Aufgaben übernehmen. So dienen die beiden eingesetzten Kameras nicht nur zum Überwachen der Positionierung, sondern auch zur Qualitätskontrolle. Der Roboter wiederum kann neben der genauen Positionierung der Dosiernadel auch verschiedene Handhabungs- und Montageaufgaben übernehmen. Dadurch ist die Plattform der intelligenten Pipettierzelle nicht nur für die Laborautomatisierung geeignet, sondern auch für die Herstellung von Medizinprodukten, die in kleinen Losgrößen bis hin zur Serie gefertigt werden sollen.
Kern der Plattform ist ein Scara-Reinraumroboter der Epson Deutschland GmbH, Meerbusch. Weil der Roboter eine mitfahrende Kamera trägt, kann diese sowohl unterschiedliche Inspektionsbereiche anfahren als auch eine kamerageführte Positionskorrektur ermöglichen. So lassen sich Außen- und Innendurchmesser von Kapillaren vermessen, der Befüllzustand einzelner Vertiefungen von Mikrotiterplatten prüfen oder die Tropfengröße auf einem Probenträger kontrollieren.
Die Kameraführung durch den Roboter gestattet auch dann noch das präzise Anfahren von Dosier- oder Greifpositionen, wenn das Zielteil fertigungsbedingt nicht immer an der exakt gleichen Stelle liegt und somit keine festen Koordinaten programmiert werden können. In einer Applikation fährt der Pipettierroboter beispielsweise mit seiner Dosiernadel in das Innere einer Kapillare, die einen Innendurchmesser von nur 0,6 mm besitzt.
Um solch eine Präzision prozesssicher zu erreichen, wurde unter anderem eine automatische Dosiernadelkalibrierung integriert. Dafür wird die zweite Kamera eingesetzt, und auch sie kann quasi als Nebenjob weitere Qualitätskontrollen ausführen. Mit ihr wird beispielsweise der Inhalt der frisch befüllten Kapillaren daraufhin kontrolliert, ob der eingefüllte Tropfen an der richtigen Position sitzt und die gewünschte Größe hat.
Eine wichtige Zusatzfunktion, die die Plattform bietet, ist die Nadelreinigungsstation. Sie sichert die Reinheit des Dispenssystems, was die Chargentrennung gewährleistet und die Reproduzierbarkeit des Dosiervorganges erhält. Für die Reinigung der Nadel gibt es verschiedene Optionen: Das Dispenssystem kann von innen gespült werden, aber auch von außen, oder die Reinigung erfolgt durch Trocknen im Luftstrom.
Wie Kapillaren oder Probenröhrchen in die Pipettierzelle eingegeben werden, ist variabel. Sie können auf einem Probenträger in den Automaten eingegeben werden oder als Schüttgut, das ein integrierter Vibrationsförderer vereinzelt. Auch die Ausgabe der befüllten Kapillaren ist flexibel. Der Roboter kann sie auf einen Probenträger setzen, gegebenenfalls in eine Schlechtteilkiste entsorgen, in ein Zielprodukt wie eine Einwegkartusche montieren oder zur Schockfrostung in ein ebenfalls integriertes Dewar-Gefäß mit flüssigem Stickstoff werfen.
Dadurch, dass der Nutzer die einzelnen Handhabungs-, Dispens- und QC-Funktionen der Pipettierplattform miteinander kombinieren und in unterschiedlicher Reihenfolge programmieren kann, ist jederzeit eine Anpassung an neue Aufgaben oder Produkte möglich. So ist einerseits eine reine Qualitätskontrolle und Sortierung ungefüllter Kapillaren realisierbar – andererseits aber auch das Befüllen, Prüfen und Schockfrosten von Kapillaren, wobei gleichzeitig dazu sogar Stichproben auf einen Probenträger ausgegeben werden können. Darüber hinaus ist die vorhandene Greifer- und Kameratechnik für die Weiterverarbeitung von Kapillaren oder Probenträgern nutzbar. In der beschriebenen Anwendung wird beispielsweise die Kapillare mit schockgefrosteter Substanz kamerageführt in eine Einwegkartusche montiert, wobei die Lot-Information von Kapillare und Reagenz der Kartuschen-ID zugeordnet wird, die per Datamatrix-Code-Leser ermittelt wird. Das Endprodukt, in dem die Kapillaren verwendet werden, ist in diesem Fall eine Kartusche, mit der sich die Zahl der T-Helferzellen im Blut bestimmen lässt.
Für die Herstellung von Medizinprodukten ist wichtig festzustellen, dass die Qualitätsdaten der Vorprodukte wie Kapillarendurchmesser, Länge oder Charge der Substanz, Daten des Prozesses wie Dispensmenge und Druck und Daten des Fertigproduktes wie Tropfengröße und -position in einem Leitrechner erfasst werden, der diese Daten chargenbezogen protokolliert und archiviert. Zusätzlich sind die Kamerabilder aus den Qualitätskontrollen gespeichert und können in einer Bilddatenbank abgelegt werden.
Peter Hammer Xenon Automatisierungstechnik, Dresden
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