Intelligente Sensorik für sichere Zellproduktion KI überwacht Zellproduktion in Echtzeit

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Fraunhofer-Forschende präsentieren ein Sensorsystem für die kontinuierliche Qualitätskontrolle von 3D-Zellsphäroiden. Es erkennt und klassifiziert Zellaggregate binnen Millisekunden und funktioniert label-free, als ohne Färbung der Sphäroide.

Ob Wirkstoffscreening oder Toxizitätsprüfung: Stammzell-basierte 3D-Gewebemodelle sind wesentlicher Bestandteil der biomedizinischen Forschung. Doch die Produktion von Zellaggregaten in Bioreaktoren ist hochkomplex und kostenintensiv. Bisher wird die Qualität erst am Prozessende überprüft – mit hohem Risiko hinsichtlich Zeit- und Materialverlust.

Am Fraunhofer-Zentrum für Sensor-Intelligenz ZSI haben Forschende der Fraunhofer-Institute für Biomedizinische Technik IBMT und für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP nun gemeinsam ein intelligentes Sensorsystem entwickelt, das den gesamten Herstellungsprozess kontinuierlich überwacht und optimiert. Das Fraunhofer IBMT bringt seine Expertise in der Entwicklung von optimierten, standardisierten Zellkulturtechniken und Modellsystemen für die Stammzellforschung ein. Das zukunftsweisende Sammeln und Weiterleiten von Sensordaten und hieraus abgeleiteten Informationen realisiert die multimodale autarke Sensorplattform Maus des Fraunhofer IZFP.

Zwei Sensorebenen für ein zuverlässiges Gesamtbild

Im aktuellen Forschungsprojekt Sphero-Sense stattete das Team des Fraunhofer IBMT einen kommerziellen Bioreaktor für 3D-Zellsphäroide mit zwei Sensorebenen aus, also für kugelförmige Zellmodelle, die Gewebe imitieren können: Zum einen überwachen elektrochemische Sensoren für Glukose, Laktat, gelösten Sauerstoff, pH-Wert und Temperatur die Umgebung der Zellen. Kameras charakterisieren die Zellaggregate optisch und analysieren kontinuierlich und in Echtzeit Größe, Anzahl und Qualität der Sphäroide. So entsteht eine Wachstumskurve, die Rückschlüsse auf optimale Bedingungen erlaubt.

Zum anderen setzen die Forschenden auf zwei Kamerapfade für die optische Qualitätskontrolle: eine In-situ-Kamera fokussiert die rotierenden Röhrchen des Reaktors und erkennt Sphäroide in der Schwebe, eine weitere Kamera erfasst sie, wenn sie durch einen Mikrofluidik-Kanal gesaugt werden. Die eingebundene KI erkennt und klassifiziert die Zellaggregate innerhalb von Millisekunden und arbeitet zusammen mit der multimodalen autarken Sensorplattform „Maus“, bündelt alle Sensordaten, wertet sie direkt vor Ort aus und übergibt die Ergebnisse in eine Datenbank.

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Weniger Risiko, mehr Objektivität

Die Fraunhofer-Fachleute bringen mit ihrer Lösung die Qualitätskontrolle in die laufende Produktion. „Wir gewährleisten die objektive Bewertung durch KI anstelle einer subjektiven Einschätzung, die laufende Überwachung und perspektivische Anpassung der Prozessparameter und nicht zuletzt die Anschlussfähigkeit an moderne Prozessführung im Pharma- und Biotech-Sektor“, erklärt Projektleiter Dr. Thomas Velten vom Fraunhofer IBMT. „Unsere Lösung entspricht modernen Konzepten wie Process Analytical Technology (PAT) und Continuous Process Verification, wie sie von FDA und EMA gefordert werden.“ Dabei arbeitet das System label-free, das heißt es sind keine Färbungen nötig und die Sphäroide bleiben unbeschädigt.

Datensouverän von Anfang an

Die Lösung arbeitet bewusst ohne Cloud-Anbindung und erfüllt damit höchste Anforderungen an Datensicherheit. Auf Wunsch ist eine entsprechende Anbindung möglich, standardmäßig verbleiben die sensiblen Prozessdaten jedoch beim Auftraggeber.

Das System lässt sich auf unterschiedliche Einsatzszenarien anpassen – von der Stammzellforschung bis zur industriellen Zellproduktion: „Unsere Plattform ‚Maus‘ bietet Rapid Prototyping für jegliche Monitoring-Anwendungen. Modular konzipiert kann sie flexibel adaptiert und ganz nach Bedarf schnell und unkompliziert erweitert werden“, sagt Christoph Weingard, Entwickler für Sensor-Intelligenz und Mikroelektronik am Fraunhofer IZFP. „Für Sphero-Sense haben wir etwa Funkmodule mit Bluetooth und Near Field Communication, also NFC, umgesetzt, um die Sensoren innerhalb der Röhrchen auszulesen – ohne zusätzliche Kabel. Man bringt einfach ein entsprechendes Steckmodul auf – und die Überwachung läuft.“

Das Fraunhofer ZSI nutzt das Gesamtsystem bereits im laufenden Betrieb– mit direktem Feedback der Kollegen, die 3D-Zellsphäroide herstellen und in weiterführenden Projekten mit ihnen arbeiten.

Vom 24. bis 27. März 2026 stellen die Fachleute ihre Lösung auf der Analytica in München vor, Halle A3, Stand 312. Auf der Weltleitmesse für Labortechnik, Analytik und Biotechnologie können sich Besucher ein Bild vom Gesamtsystem machen – inklusive Sensoren, Kameras und Echtzeit-Datenanalyse.

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