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Erfolge, die Geschichte machen


Lab-on-a-Chip - revolutionärer Meilenstein in der Biotechnologie

Die Vervielfältigung von DNS-Sequenzen mit der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ist zu einem unverzichtbaren Werkzeug der Molekularbiologie, der Gensequenzierung und der klinischen Forschung geworden. Herkömmliche Instrumente zur Durchführung der PCR benötigen mehr als 90 Minuten, da die PCR Heiz- und Kühlzyklen verlangt, innerhalb derer die Aufspaltung, Anlagerung und Vervielfältigung erfolgt, und die Reaktionen erst einsetzen, wenn die jeweils erforderliche Temperatur erreicht ist. Um diesen Prozess zu beschleunigen, wurden in einem Forschungsprojekt erfolgreich die Wärmekapazitäten und die Volumina drastisch verkleinert.

„Sie bekommen diesen Großauftrag, wenn sie mir schriftlich diesen, mit hohen Konventionalstrafen abgesicherten, Liefertermin garantieren können.“ – „Wir stufen Sie im Rating hoch, wenn Ihre neue Automationsanlage vom Start an eine sehr gute ppm-Quote aufweist.“ Diese Worte, ausgesprochen von OEM-Kunden und Ratingexperten diverser Kapitalgeber bekommen Firmenvertreter - bei KMUs sind es oft die Geschäftsführer selbst - immer öfter zu hören. Um auf hart umkämpften globalen Märkten eine gute Wertschöpfung den eigenen Kunden zu erreichen, nehmen es Auftrag- und Geldgeber nicht mehr hin, das in der Planungssicherheit vieler Zulieferbetriebe oft ein schwarzes Loch klafft: Der Automationsaufbau, verursacht durch mangelnde Koordination der angewendeten Steuerungssoftware.

Die modulare Architektur der Softwarebausteine erlaubt es dem Laboranten oder Biologen, über die biOS Engine als Editor die Prozesse in seiner Denk- und Sprachwelt zu definieren, ohne besondere Computer- geschweige denn Programmierkenntnisse vorhalten zu müssen. Die automatische Einhaltung von Sicherheits- als auch Logik-Strukturen innerhalb der Befehlsverarbeitung versteht sich von selbst. Ein eigens implementierter Scheduler vollzieht völlig eigenständig auch

 

verschiedene Prozessschritte, optimiert daher den Durchsatz und ermöglicht nebenläufige bzw. Parallelanalysen. Dieses miniaturisierte PCR-System, das die Reaktionsschritte im Fluss durchführt, benötigt für die Reaktionszeiten in 40 PCR-Zyklen lediglich 5 Minuten, da Temperaturänderungen in weniger als 100 ms durchgeführt werden können.

Die Grundfunktionalitäten im Zusammenspiel mit dem embedded Controller auf Basis eines leistungsfähigen PowerPC sind definierte Software Module. Diese sogenannten Funktionsbausteine können vorab validert werden, so dass bei der Anwendung im Labor der gewünschte Analyseprozess wie aus Legobausteinen zusammengestellt werden kann. Dies beschleunigt nicht nur die Entwicklung neuartiger Verfahren, sondern erleichtert vor allem die Zertifizierung der Analytik gemäß In Vitri Diagnostic Directive der Europäischen Union. Die Ebene der Funktionsbausteine ist vollständig abstrahiert von elementaren Steuerfunktionen der Chips und dient den den darüberliegenden Prozessen als virtuelle Maschine. Die Applikationsschicht selbst ist natürlich auch entsprechend den IVD-Regularien bzw. der IEC 62304 zu zertifizieren. Jedoch ist der Zeit- und Kostenaufwand hierfür erheblich reduziert. Durch diese modularen Software-Strukturen bieten sich einem Hersteller vielfältige Möglichkeiten für die Produktgestaltung. Die einzelnen Prozessschritte können beispielsweise in der „Light-Version" vordefiniert sein, eine individuelle Anpassung ist dort nicht möglich. Eine „Standard-Version" ermöglicht vielleicht die individuelle Anreihung von Prozessschritten – unter Berücksichtigung von Logikfolgen. Und die „Professional-Version" ermöglicht darüber hinaus eigene Parametriervorgänge für einzelne Module. Dies fortgeführt mit entsprechenden Benutzerautorisierung erlaubt eingeschränkte oder privilegierte Funktionsnutzung, je nach fachlicher Qualifikation des Anwenders. Die Gesamtarchitektur hierfür muss lediglich einmal aufgestellt und zertifiziert sein – als Produkt können in diesem Beispiel drei bis vier Varianten dieses einen „Lab-on-a-Chip" Systems vermarktet werden!

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