UPM Biomedicals produces a highly biocompatible hydrogel, GrowDex®, which enables researchers worldwide to focus on developing more human-centric tests for pharmaceutical substances, using less animal material. In order for the cells to form tiny organs (organoids and spheroids), they require a fibrous environment that mimics the extracellular matrix in our body. Typically, animal-derived materials are used to create these 3D culture conditions. GrowDex is a ready-to-use hydrogel that is extracted from birch wood and thus does not contain any material of animal or human origin.
The challenge: Dispensing viscous hydrogel with extreme accuracy using a precise valve
GrowDex is thermally stable at temperatures from 0° C to temperatures over 100° C, making it ideal for automation and high-throughput screening. GrowDex is a shear-thinning material. This means that the viscosity changes with the force exerted on the material; when the dispensing pressure is high, it is like liquid and once the pressure is removed, the material immediately sets and becomes viscous again As the nanofibers of cellulose inside the material do not cross-link, they only intertwine, the material is a true hydrogel. This means special attention needs to be paid to the pressure control generated in the dispensing system.
因此，UPM Biomedicals 找到 Festo 生命科学应用中心的专家，要求对剪切稀化水凝胶的自动分液应用进行可行性分析。目标是在 25 µl 和 100 µl 这两个目标胶量下，能够可靠地达到规定的 CV 值（变异系数）。这两个胶量是在 96 孔和 384 孔微孔板中进行分液的典型体积。
“我们经常遇到客户要求实现特定液体的分液。当我第一次看到注射器中的 GrowDex 水凝胶时，我意识到，要对这种水凝胶进行分液并不容易，即使是稀释后的状态也是如此。但我也知道，我们的系统提供了多种可能性，能够帮助我们找到正确的解决方案。”Festo 应用工程师 Manuel Rausch 解释说。
解决方法：改变并优化产品和参数
Festo 采用压控式分液法来实现自动化液体运送。压力和打开时间等参数可根据液体的特性进行灵活调整。在测试中，专家对所用的 Festo 产品和工艺参数都进行了调整，如介质隔离阀、细管、压力和阀打开时间。
首先，用 DMEM 细胞培养基手动稀释待测的 GrowDex 或 GrowDex-T 水凝胶，并将其装入带盖的玻璃瓶中。然后借助压力和真空产生器 (PGVA-1) 通过连接软管对瓶子加压。阀控制模块 VAEM-V 精确地控制介质隔离电磁阀 VYKB-F12，将移位的水凝胶混合物分配到目标容器中。接着用天平通过测定重量记录所分配的量，并将其用于分析 CV 值。
事实证明，介质分离阀 VYKB-F12 和内径较大的针头，是将流动阻力保持在较低水平的最佳解决方案。得益于精心设计的构造，还可使用紧凑型压力和真空产生器 PGVA-1，这样就无需在实验室中连接气源。
最终，我们实现了一套出色 GrowDex 水凝胶分液工艺
Festo 的应用工程师开发了一套组件，可以分液浓度为 0.75% 的 GrowDex 和浓度为 0.5% 的 GrowDex-T，每种物质与 DMEM 的混合比例为 1:1。CV 值均在规定的容差范围内。
UPM 现在可以确信，在考虑到特定技术设置的情况下，可以自动分液 GrowDex 水凝胶，以用于特定设备中。“现在，自动化系统又取代了一项人工操作，三维细胞培养更可靠、更快速了。”UPM 公司的 Piia Mikkonen 开心地表示。
这是我们双方为减少动物材料的使用，同时提高三维培养结果的可靠性和可重复性而进行的一次协作。无论是在活性药物成分筛选还是再生医学领域，定制的自动化系统都将在满足监管要求方面发挥重要作用。
全球化、解决方案导向和互联：生命科学应用工程设计
Festo 的生命科技应用工程设计部门在全球范围内协助客户寻找解决方案，并进行可行性研究和参数优化、培训、原型制造、调试和安装工作，以及确定客户对新需求的各项要求。公司的应用工程师在液体运送、运动和液体控制领域拥有丰富的经验。
