Produktion für Intelligente Medizin

Das Fraunhofer IZI erforscht und entwickelt spezielle Problemlösungen an den Schnittstellen von Medizin, Biowissenschaften und Ingenieurs­wissenschaften. Das Institut verfügt über langjährige Expertise in den adressierten Themenfeldern, insbesondere in der GMP-konformen Herstellung von Zelltherapeutika. Dazu verfügt das Institut über 21 Reinraumsuiten (ca. 900 m²) für die pharmazeutische Herstellung im Rahmen klinischer Studien. Weitere Schwerpunkte liegen auf Technologien zur Herstellung von Stammzellen und Impfstoffen. Am Fraunhofer IZI sind ferner weitreichende Kompetenzen im Bereich der CAR-T- und CAR-NK-Zellherstellung sowie der mRNA-Technologie vorhanden. Die GMP-Prozessentwicklung ist mit modernsten Geräten ausgestattet. Im Biomarker Center werden neue Herstellungsprozesse auf molekularer Ebene zudem analysiert und validiert. Die Anbindung an die Universitätsklinika sowie Kooperationen mit weiteren Kliniken ermöglichen den Zugang zu klinischen Proben und erlauben die schnelle Translation der entwickelten automatisierten Prozesse und Produkte.

www.izi.fraunhofer.de

Am Institutsteil Bioanalytik und Bioprozesse des Fraunhofer IZI werden analytische und biotechnologische Lösungen für medizinische Fragestellungen, Tiergesundheit, Ernährung sowie Kosmetik und Umwelt entwickelt. Schwerpunkte der Forschung sind Probenaufbereitung, Entwicklung molekularer Erkennungselemente und Datenerfassung sowie Miniaturisierung und Automatisierung entsprechender Technologien, um zuverlässige, flexible und einfach bedienbare Prozessabläufe für Kunden und Partner bereitzustellen. Darüber hinaus liegt ein wesentlicher Fokus des Instituts auf der Herstellung von funktionellen Proteinen mittels zellfreier Proteinsynthese. Der Fokus liegt hierbei auf der optimierten Produktion komplexer Biomoleküle – von proteinogenen Wirkstoffen für die Impfstoff- und Antikörperentwicklung bis zu Enzymen, komplexen Peptiden, Proteinen und synthetischen Biomolekülen. Die Methode der zellfreien Synthese ermöglicht eine schnellere Produktionszeit, macht den Syntheseprozess ökonomisch, flexibler und besser steuerbar.

www.izi-bb.fraunhofer.de

Das Fraunhofer IGB entwickelt Verfahren, Technologien und Produkte für Gesundheit, nachhaltige Chemie und Umwelt. Das Institut verfügt über eine langjährige Expertise in der GMP-konformen Herstellung von ATMPs. Entsprechende Reinräume sind vorhanden und für das Projekt verfügbar. Im Rahmen des Leistungszentrums Mass Personalization werden aktuell automatisierte Prozesse zur Herstellung personalisierter Therapeutika entwickelt und untersucht. Am Fraunhofer IGB wurde u.a. die Qualitätskontrolle zellbasierter Therapeutika am Beispiel der Produktion von mesenchymalen Stammzellen mittels High-Content Analytik Technologien (NGS-basiert) aufgebaut. Neben der Analyse von Identität und Sterilität des Produkts vom ersten bis zum letzten Prozessschritt wurden Verfahren zur Abschätzung der therapeutischen Aktivität des Produkts entwickelt. Mittels Sensortechnologien, basierend auf Immun-Rezeptoren und spektroskopischen Verfahren (z.B. Raman), kann die Qualitätskontrolle Inline unterstützt werden. Weitere Kompetenzen bestehen bei der Entwicklung von therapeutischen Viren/viralen Vektoren mit erhöhter Spezifität und Wirksamkeit, und in der Evaluierung von skalierbaren und robusten Verfahren zu ihrer Herstellung.

www.igb.fraunhofer.de/

Das Fraunhofer ITEM verfügt seit 2003 über eine Herstellungserlaubnis nach §13 AMG und hat seitdem Herstellungsprozesse für eine Vielzahl von Biopharma-Wirkstoffen entwickelt. Dabei wird das gesamte Spektrum an Wirkstoffen abgedeckt von rekombinanten Proteinen / Antikörpern, Nukleinsäuren bis hin zu Bakteriophagen und Viren. Durch Verwendung von stabil exprimierenden Zellpools ist beabsichtig, die Bioprozessentwicklung und damit den Zeitraum bis zur Verfügbarkeit von klinischer Prüfware um 2/3 zu verkürzen und damit sowohl wirtschaftlicher wie auch mengenmäßig mehr Kandidaten bis zur klinischen Prüfung entwickeln zu können. In diversen Projekten mit Industriepartnern wurden Nukleinsäuren als pharmazeutische Targets entwickelt. Gemeinsam mit Partnern wurde zudem ein Herstellungsverfahren für rekombinante onkolytische Viren entwickelt. Damit steht eine Herstellungsplattform zur Verfügung, mit der rekombinante Viren als Lebend- oder Tot-Impfstoffe mit verschiedenen antigenen Epitopen herstellbar sind. .

www.item.fraunhofer.de

Das Fraunhofer IESE entwickelt innovative Lösungen zur Gestaltung verlässlicher digitaler Ökosysteme. Am Institut wurde mit dem Basissystem Industrie (BaSys 4.0) eine Referenzarchitektur für Produktionssysteme geschaffen, die einen schrittweisen Wandel zur Industrie 4.0 gestützten Produktion ermöglicht. Die implementierte Open Source Middleware BaSyx ist eine Referenzimplementierung von BaSys 4.0 und ermöglicht eine durchgängige Vernetzung der Produktion und eine strukturierte Repräsentation von Gerätedaten. Darüber hinaus gestattet die Plattform die Umsetzung von Standards und Normen für Industrie 4.0. In BaSys 4.2 wird aktuell die Weiterentwicklung der bestehenden Middleware vorangetrieben, wobei ein ganzheitliches Engineering Konzept und die Ergänzung der Middleware um weitere Verwaltungsschalen und Infrastrukturkomponenten im Fokus stehen. Zielsetzung sind u.a. die Fertigung von Losgröße 1, die Betrachtung von Big Data als Enabler, sowie die virtuelle Inbetriebnahme durch Simulation von Teilkomponenten der Fertigung. Parallel arbeitet das Institut an der Konzeption und Entwicklung einer KI-Plattform für die Industrie (FabOS – I.4.0), die sich mit der Implementierung von Schnittstellen für KI-gestützte Basisdienste in der Produktion beschäftigt. In diesem Kontext kommt BaSyx zur Beschreibung und Konfiguration von Infrastruktur in der Produktion zum Einsatz.

www.iese.fraunhofer.de

Der Bereich Optimierung am Fraunhofer ITWM entwickelt maßgeschneiderte Lösungen für Planungs- und Entscheidungsprobleme in Logistik, Ingenieurs- und Lebenswissenschaften. Methodisch beruhen die Lösungsansätze auf einer engen Verzahnung von Simulation, Optimierung und Entscheidungsunterstützung. Die Simulation dient dabei der modell- bzw. datenbasierten virtuellen Strukturbildung unter Berücksichtigung von Restriktionen und Freiheitsgraden sowie der Identifikation von Qualitäts- und Kostenmaßen. Besonderes Augenmerk liegt auf der Wahl des Modells hinsichtlich Menge und Qualität der verfügbaren Daten. Diese werden gegebenenfalls mit Methoden des Machine Learning aufbereitet, um Modelle kalibrieren und ergänzen zu können. Die Optimierung erfolgt mit problemspezifischen mathematischen Optimierungsverfahren, die individuell entwickelt, implementiert und auf die Simulationsroutinen abgestimmt werden. Kernkompetenz des Bereichs ist die Entwicklung mehrkriterieller Verfahren zum Umgang mit konkurrierenden Kosten- und Qualitätsmaßen. Der Bereich berät bei der Strukturierung von Entscheidungsprozessen, und entwickelt und implementiert interaktive Softwaretools für die Entscheidungsunterstützung, insbesondere in Hinblick auf den Ausgleich zwischen konkurrierenden Zielen.

www.itwm.fraunhofer.de

Das Fraunhofer MEVIS entwickelt praxistaugliche Softwaresysteme für die bild- und datengestützte Früherkennung, Diagnose und Therapie. Am Institut werden Konzepte und Prototypen für innovative KI-basierte Auswerteverfahren entwickelt, um die Wirkung und Qualität von ATMPs auf Basis von Mikroskopiebildern automatisiert zu messen und zu charakterisieren. Dafür werden umfangreiche Anforderungsanalysen und Marktrecherchen durchgeführt. Das Institut entwickelt seit mehr als zehn Jahren Methoden für die Auswertung biologischer Mikroskopiebilder und hat sich früh auf den KI-Einsatz fokussiert. Die Extraktion neuartiger Biomarker aus Mikroskopiebildern ist ein strategisches Zukunftsthema vom MEVIS.

www.mevis.fraunhofer.de

Das Fraunhofer IOSB erforscht und entwickelt multisensorielle Systeme, die den Menschen bei der Wahrnehmung seiner Umwelt und der Interaktion unterstützen. Das Institut verfügt durch seine Expertise im Bereich Industrie 4.0 einerseits sowie von inline-Sensorik zur Qualitätsprüfung andererseits über eine sehr gute Grundlage für die Thematik der modularen, automatisierten und stückgutartige Produktionsprozesse. Das Fraunhofer IOSB bringt hier seine Kompetenzen im Bereich der Sensorintegration, der neuartigen Bildaufnahme- und Bildauswerteverfahren sowie der KI-basierten Umsetzung von echtzeitfähigen Klassifikation-Algorithmen ein.

www.iosb.fraunhofer.de

Das Fraunhofer IPA erforscht und entwickelt Technologien für die Zukunftsthemen der Produktion wie personalisierte Produktionssysteme, biointelligente Wertschöpfung, digitale Transformation, frugale Produktionssysteme, künstliche Intelligenz für die Produktion sowie resiliente Wertschöpfung. Das Institut verfügt über umfassende Kompetenzen im Bereich von Industrie 4.0 und implementiert diese Prinzipien zunehmend in Pharma-, Biotech- und Life Science-Applikationen. Neben Technologien zur Produktion personalisierter Arzneimittel und neuartigen Impfstoffen, sowie Methoden zur Planung von Herstellungsprozessen für autologe Zelltherapeutika, entwickelt das Institut Strategien zur digitalen, modularen und automatisierten Qualitätskontrolle von ATMP Herstellungsprozessen. Bereits im Jahr 2001 wurden am Fraunhofer IPA erste Ideen für eine vollautomatisierte und kontrollierte Zellproduktion erarbeitet, welche über fast 20 Jahre in Industrie- und Forschungsprojekten weiterentwickelt und in verschiedensten Anwendungsfeldern ausgebaut wurden. Das Institut ist in der Laborautomatisierung an mehreren Standardisierungsinitiativen beteiligt und zusammenmit dem Leitthema und dem Ziel der Umsetzung einer biointelligenten Wertschöpfung fokussiert das Fraunhofer IPA zunehmend auf produktionstechnische Schnittstellen zwischen Biologie, Technik, und Informatorischen Systemen.

www.ipa.fraunhofer.de

Das Fraunhofer IPT erarbeitet Systemlösungen für die vernetzte, adaptive Produktion und verfügt über langjährige Expertise im Bereich der Laborautomatisierung mit Schwerpunkt auf die vollautomatisierte, robotergestützte ATMP Produktion. Die Automatisierungslösungen werden dabei in interdisziplinären Teams entwickelt – vom Transfer manueller Prozesse in die Automatisierung, über Entwicklung von automatisierten Einzel- und Anlagenlösungen, bis hin zur Entwicklung adaptiver, intelligenter Anlagensteuerungen. Das Institut verfügt dabei über eine umfassende Infrastruktur an bereits bestehenden, automatisierten Anlagen: Von der StemCellFactory und StemCellDiscovery, zwei Anlagen zur parallelisierten robotergestützten Produktion von iPSC / MSC in 2D bis zur AUTOSTEM-Anlage für die robotergestützte Herstellung von MSCs im Bioreaktor. Diese Infrastruktur wird im Rahmen weiterführender Projekte um die automatisierte Möglichkeit zur Herstellung von Gewebeersatzprodukten, Chondrozyten sowie extrazellulären Vesikeln erweitert. Zur Qualitätskontrolle werden dabei automatisierte High-Speed Mikroskopie mit Deep-Learning-basierter Bildauswertung eingesetzt. Ebenfalls besteht große Expertise im Bereich des Datenmanagements im Kontext der Produktion. Dort steht aktuell die Definition und Umsetzung von digitalen Zwillingen im Fokus. Datendurchgängigkeit in Prozessketten ebenso wie in unternehmensübergreifenden Wertschöpfungsnetzwerken und über den gesamten Produktlebenszyklus sind dort die Ziele. Zur Interaktion mit dem digitalen Zwilling und der Befähigung von Mitarbeitern werden auch Informationssysteme und Systeme zur Entscheidungsunterstützung erforscht.

www.ipt.fraunhofer.de

Das Fraunhofer ICT erforscht und entwickelt chemische Prozesse und verfügt über umfassende Expertise in der Überführung neuartiger und ressourcenschonender Prozesse vom Labor- bis zum technischen Maßstab. Die Kompetenzen des Instituts decken hierbei die gesamte Prozesskette ab – beginnend bei der Rohstoff-Aufarbeitung, über die chemische Reaktionsführung, das Downstream-Processing (zum Beispiel Aufreinigungs- und Trenntechniken) bis hin zu nachgeschalteten Prozessen wie der Produktveredelung (zum Beispiel Kristallisation und Partikeltechnik) und Formgebung (zum Beispiel Formulierung und Compoundierung). Ein wichtiger Bestandteil der entwickelten Prozesse ist die Realisierung und Integration prozessanalytischer Messtechniken für das Echtzeit-Monitoring und die Realisierung datenbasierter Prozesssteuerung.

www.ict.fraunhofer.de

Das Fraunhofer IST verfügt über umfassende Expertise im Bereich der Oberflächentechnik mit Kompetenzen in den zugehörigen Produkt- und Produktionssystemen. Diese kommen unter anderem bei der Entwicklung und Herstellung von neuen Wirkstoffen und zellbasierten Therapieverfahren zum Einsatz. Modelldatenbasierte Ansätze für Beschichtungsprozesse und Oberflächeneigenschaften helfen, um derartige Systeme weiterzuentwickeln und Entwicklungszeiten zu verkürzen. Am Institut besteht langjährige Erfahrung im Bereich gasphasenbasierter Beschichtungsverfahren. Diese kommen in Komponenten von Produktionsanlagen (Sensorik, easy-to-clean, Anti-Haft, Anti-Eis, Verschleißschutz), bei Beschichtungen für zelluläre Produkte (wie Kultivierungssysteme, Partikelverkapselung) und in diagnostischen Systemen (z.B. chemisch reaktive Schichten, funktionelle Oberflächen, Steuerung der Benetzbarkeit und Adhäsion) zum Einsatz. Des Weiteren werden Reinigungs- und Sterilisationsverfahren (nasschemisch und plasmabasiert) und die damit verbundenen Fragestellungen für die Oberflächengestaltung erforscht und weiterentwickelt. Einen weiteren Schwerpunkt des Instituts bilden präzisionsoptische Beschichtungen. Diese lassen sich durch eigens entwickelte und etablierte Monitoringsysteme als cyberphysisches System nanometergenau herstellen.

www.ist.fraunhofer.de

Im Geschäftsfeld Digital Health Systems arbeitet das Fraunhofer IIS an innovativen und bedarfsgerechten Lösungen auf dem Gebiet der Bildverarbeitung und Medizintechnik. Das Institut kombiniert dabei ein starkes Kompetenzportfolio im Bereich »kognitiver Sensorik« mit einem umfassenden Netzwerk an medizinischen Experten unterschiedlicher Fachrichtungen. Ein Arbeitsschwerpunkt dabei ist die Entwicklung von Lab-on-Chip-Technologien zur Detektion von Biomarkern, wobei sowohl Kompetenzen in der Elektronikentwicklung als auch spezifisches Domänenwissen im Bereich der In-Vitro Diagnostik zum Einsatz kommen. Seit über 20 Jahren entwickelt das Fraunhofer IIS KI-basierte Algorithmen zur Bildanalyse für die Charakterisierung von Zellen und Geweben. Neben Anwendungen im Bereich der Stammzelltherapien und Tissue-Engineered Products stehen insbesondere »Computational Pathology«-Anwendungen für Efficacy-Analytik, Wirkstoffherstellung und Diagnostik im Fokus.

www.iis.fraunhofer.de/

Zu den Kernexpertisen des Fraunhofer IMM gehören Entwicklung, Prototyping und Automatisierung von mikrotechnischen/-fluidischen Systemen. Weiterhin verfügt das Institut über Kompetenzen zur Entwicklung von Modulen zur Handhabung und Steuerung von Flüssigkeiten, (bio)-chemischen Reaktionen, biologischen Produktionsschritten und Zellen. Dies schließt vollständig integrierte diagnostische Assays und Analyseverfahren zur Qualitätssicherung (insbesondere auf Basis von PCR, Immunologie und Einzelzellanalytik) mit ein. Ergänzt wird das Leistungsspektrum durch das spezifische Design und die Konstruktion von mikrotechnischen Modulen und Plattformtechnologien für die Synthese und Analyse von Nanopartikelsystemen und die kontrollierte Formulierung von Lipid- und Polymernanopartikeln für den gezielten Wirkstofftransport.

www.imm.fraunhofer.de

Das Fraunhofer IMS entwickelt smarte Sensorsysteme für biomedizinische Anwendungen, u.a. für die Bereiche der personalisierten Medizin und der Pharmaproduktion. Dies umfasst die hochsensitive Detektion von Biomolekülen und Zellen sowie die multiparametrische Inlinesensorik in Echtzeit, was eine effiziente Prozesssteuerung ermöglicht. Ein Schwerpunkt der Forschung liegt im Bereich der optischen Biosensoren, basierend auf Nanosensoren im Nahinfrarotbereich und Einzelphoton-Avalanche-Dioden (engl., single-photon avalanche diodes (SPADs)). Weitere zum Einsatz kommende Sensorprinzipien nutzen eine elektrische, elektrochemische und piezoelektrische Signalumwandlung. Das Institut verfügt über Kompetenzen zum mikro- und nanosystemtechnischen Design und Herstellung der Sensoren, der elektronischen (ggfs. drahtlosen) Auslese der Sensoren, der intelligenten sensornahen, KI-basierten Biosignalauswertung und der mikrofluidischen Systemintegration.

www.ims.fraunhofer.de

Am Fraunhofer IVV werden innovative Technologien für die maschinelle Verarbeitung, Abfüllung und Verpackung von hygienisch sensiblen Produkten entwickelt. Von der reinigungsgerechten Konstruktion nach Hygenic-Design-Richtlinien und dem Know-how im Bereich adaptive Reinigungs- und Sterilisationsprozesse werden dabei auch Prozessüberwachung und Produktschutz entlang der gesamten Verarbeitungskette berücksichtigt. Mit Hilfe von Automatisierungslösungen und Digitalisierungsanwendungen, wie der Entwicklung von KI-basierten Assistenzsystemen, werden innovative Ansätze für die Mensch-Maschine-Interaktionen im Sinne der Industrie 4.0 geschaffen.

https://www.ivv.fraunhofer.de

Das Fraunhofer IFF forscht und entwickelt anwendungsorientiert auf den Gebieten Robotik, Mess- und Prüftechnik, Logistik und Materialflusstechnik sowie Biosystems Engineering. Als Technologie- und Forschungspartner begleitet das Fraunhofer IFF Unternehmen, die »Industrie 4.0« Wirklichkeit werden lassen und die Zeitenwende hin zu Digitalisierung und Automatisierung mitgestalten wollen. Aufgrund umfangreicher Expertise im Bereich innovativer Robotersysteme ist das Fraunhofer IFF ein führendes Forschungsinstitut zum Thema sichere Mensch-Roboter-Kollaboration. In zahlreichen Forschungsprojekten wurden neue Schlüsselkomponenten und Technologien für zukünftige, innovative Roboteranwendungen sowie komplette Roboteranlagen entwickelt. Dazu zählen u.a. die Entwicklung mobiler und stationärer Assistenzroboter mit Technologien zur Arbeitsraumabsicherung. Das Einsatzspektrum dieser Technologien erstreckt sich auf die unterschiedlichsten Industriebereiche – von der Automobilindustrie, dem Maschinen- und Anlagenbau bis zur Medizintechnik und Pharmaindustrie. Das Institut entwickelte bereits vollautomatische Anlagen zum ex vivo-Gewebescreening in der Pharmaforschung, mobile Assistenzroboter zur Entlastung von Mitarbeitern in Biotechlaboren durch die Verkettung von Laborgeräten sowie ebenfalls sichere Robotersysteme für die operative Medizin.

https://www.iff.fraunhofer.de