Wie Antriebe die Diagnostik vorantreiben und Leben retten

Wer heute Symptome wie Husten, Fieber oder Kopf- und Gliederschmerzen spürt, sucht so schnell wie möglich Klarheit, ob er sich mit Corona, einer Erkältung oder der Grippe infiziert hat. Am einfachsten geht das per Abstrich. Anschließend kann die Probe ins Großlabor geschickt oder – schneller noch – mit einem sogenannten Point-of-Care-System (PoC) vor Ort analysiert werden. In beiden Szenarien garantieren Faulhaber-Antriebe zuverlässige Analysen und sichern den Vorsprung in der Diagnostik.

Eine schnelle und hochspezifische Diagnose von Infektionskrankheiten wie Covid-19 oder Influenza durch Polymerasekettenreaktion (PCR) ist das Mittel der Wahl, um vor Ort, etwa in einer Arztpraxis oder einer Ambulanz, schnell zu wissen, woran ein Patient erkrankt ist. Auch Patienten haben so zeitnah Gewissheit, ob die laufende Nase nur eine Grippe oder doch Covid-19 ist. Das ist entscheidend, da bei letzterer eine Quarantäne auch für Kontaktpersonen erforderlich ist und schnelles Handeln die weitere Ausbreitung stoppen kann. Die PCR ist eine in der Molekularbiologie weit verbreitete Methode, mit der durch Wärmezyklen in kürzester Zeit Millionen bis Milliarden Kopien einer bestimmten RNA-/DNA-Probe hergestellt werden können.

Nicht nur bei Corona-Tests ist es oft notwendig, möglichst schnell das Ergebnis zu kennen. Oft müssen bereits vor Beginn der Behandlung bestimmte Laborwerte vorliegen, um auf Intensivstationen, in Ambulanzen oder Arztpraxen die richtigen Maßnahmen zu treffen. Hier spielen sogenannte Point-of-Care-Analysegeräte (PoC) ihre Vorteile voll aus: Sie sind mobil, leicht, flexibel einsetzbar und vor allem schnell. Ein Ergebnis kann bereits in weniger als einer Viertelstunde vorliegen. Der Name verdeutlicht den sinnvollsten Einsatzort eines PoC-Systems: In unmittelbarer Nähe zum Patienten und dessen Behandlung (Point-of-Care).

Im Vergleich zu einer zentralen Laborautomatisierungs-Lösung mit Vor- und Nachanalysatoren ist eine PoC-Lösung kostengünstiger, einfacher, zeitlich deutlich schneller und liefert verhältnismäßig zuverlässige Ergebnisse. Auch für das Personal fällt nur sehr wenig Schulungsaufwand an. Da bei PoC immer nur eine Probe auf einmal analysiert werden kann, ist der Gesamtdurchsatz allerdings begrenzt und fällt deutlich geringer aus als im Großlabor.

Geht es darum, eine sehr große Zahl an standardisierten Tests durchzuführen, etwa im Falle eines Massentests auf Covid-19, dann führt kein Weg an automatisierten Großlaboren vorbei.

Mit einem PoC-Analysegerät werden vor einem operativen Eingriff oder einer medikamentösen Behandlung wichtige Parameter wie Blutwerte, Gerinnung, Blutgas- und Elektrolyte oder Patienten auf Infektionskrankheiten wie etwa Influenza überprüft. Für die Analysen werden verschiedene Technologien verwendet, darunter Fluoreszenzdetektion, Polymerase Chain Reaction (PCR) und Mikrofluidik. Auch im Kampf gegen Covid-19 spielen sie eine wichtige Rolle. Der sicherste Test zur Erkennung einer Corona-Infektion ist der PCR-Test.

Die Analysegeräte für den PoC-Einsatz sind nahezu komplett automatisiert, und durch den Einsatz von Teststreifen oder Testkits sind nur wenige Eingriffe des Anwenders erforderlich. Je nach Funktion des Analysevorgangs werden Miniatur-Antriebssysteme zur Disposition von Proben, zum Mischen mit Reagenzien, Drehen, oder Schütteln verwendet. Gleichzeitig müssen die PoC-Systeme kompakt und leicht zu transportieren sein und dürfen vor Ort nur wenig Platz einnehmen. Im Falle von batteriebetriebenen Systemen wird zudem eine hocheffiziente Antriebslösung benötigt, um eine lange Betriebszeit zu ermöglichen.

Antriebe für diese Anwendungen müssen daher möglichst kompakt und schnell sein. Eine gute Wahl sind Faulhaber DC-Kleinstmotoren mit Graphit- oder Edelmetallkommutierung oder Schrittmotoren, da sie eine kompakte Größe aufweisen, hocheffizient sind und ein hohes Leistungsgewicht bieten. Zudem erfüllen sie die Anforderungen nach hoher Zuverlässigkeit, langer Lebensdauer, ausgedehntem Produktlebenszyklus und geringem Wartungsaufwand.

Die Vorteile der Automatisierung liegen hierfür auf der Hand: Sie ermöglicht sichere Ergebnisse bei weit höherem Durchsatz als mit PoC-Systemen möglich wäre, bei geringer Fehleranfälligkeit und minimalen Personalkosten. Deshalb sind automatisierte Lösungen schon seit vielen Jahren bei der sogenannten In-vitro-Diagnostik (IVD) unverzichtbar, der Analyse medizinischer Proben wie Blut, Urin oder Gewebe. Aber auch in der Chemie oder der Lebensmitteltechnologie setzt man verstärkt auf automatisierte Prozesse im Labor. Das kann sowohl die Durchführung einzelner Prozesse in Stand- Alone-Geräten, aber auch komplexe Anlagen mit einer komplett automatisierten Probenanalyse bedeuten.

In dieser beginnt die Automatisierung bereits bei der Vorbereitung der Proben in farbkodierte Entnahmeröhrchen. Durch einen Scanner wird erfasst, welche Analysen für die jeweilige Probe vorgesehen sind. Je nach Anforderung kann die Probe auch über eine Zentrifuge in ihre Bestandteile getrennt werden. Anschließend erfolgt der Transport per Fließband oder mit sogenannten Probetaxis in kleinen Wagen mit Radantrieb zu den einzelnen Analysestationen. Mit letzteren, die nur eine einzige Probe auf einmal transportieren, gleichzeitig aber mit mehreren hundert weiteren Proben im System unterwegs sind, kann vollautomatisiert und dennoch sehr individuell für jede Probe der jeweils passende Analysedurchlauf erfolgen.

Die eingesetzten Antriebe müssen im Labor eine Vielzahl unterschiedlicher Antriebsaufgaben erfüllen. Ein reibungsloser Ablauf ist nur möglich, wenn die einzelnen Schritte mit hoher Dynamik und Präzision erfolgen. Beispielsweise muss jede Probe zunächst über einen Barcode eindeutig identifiziert werden, anschließend die Verschlusskappe abgeschraubt und sichergestellt werden, dass nur ein Teil der Probe in die Analyse kommt. Insbesondere bei Tests auf Covid-19 oder der Impfstoffentwicklung ist es wichtig, dass für eventuell notwendige spätere Nachtests und zu Archivzwecken ein Teil der Probe wieder verschlossen und archiviert wird. Bei der Vorbereitung der Proben sind vor allem kleine Servoantriebe gefragt, die als Teil einer mobilen Komponente Längs- oder Drehpositionsänderungen der Proben durchführen. Förderbänder, die Proben in Racks transportieren, benötigen hingegen große, leistungsstarke Antriebe.

Im folgenden Prozessablauf, der Überführung in ein Reaktionsgefäß, etwa eine Petrischale oder eine Testplatte, steigt der Anspruch an die Antriebstechnik, denn es sind für das Pipettieren, Mischen, Rühren und das Handling von Flüssigkeiten vielfältige Bewegungen gefordert. Wiederholte Start- Stopp-Bewegungen verlangen ein hochdynamisches System, bei dem eine äußerst präzise Positionierung ebenso wichtig ist wie die Geschwindigkeit der Pick-and-Place- oder Pipettiervorgänge. Da der Antrieb für die Auf- und Abwärtsbewegung eines Greifarms oder Pipettierkopfes sich meist in der mobilen Komponente befindet, muss dieser darüber hinaus besonders leicht und kompakt sein.

DC-Kleinstmotoren der Serien 1524...SR und 2224...SR eignen sich hier besonders gut. Sie haben keinen Eisenanker und sind leichter und kleiner als andere Antriebe mit vergleichbarer Leistung. Ihre hohe Dynamik spielen sie meist in Kombination mit einem Encoder der Serie IEH2 optimal aus, da dieser die Gesamtlänge der Antriebseinheit um lediglich zwei Millimeter verlängert.