Sensor cerdas berbasis AI untuk kontrol kualitas produksi sel 3D membuka peluang transformasi industri bioteknologi dan farmasi di Indonesia. Bagaimana temuan para ahli ini diterapkan di Indonesia?
Pemantauan pertumbuhan agregat sel 3D yang didukung AI dalam bioreaktor berbasis suspensi.ibmt-zsi-spherosense-bioreactor (Foto/©: Bernd Müller/ Fraunhofer IBMT)
Penulis/editor: Rayendra L Toruan
TchnoMachinews.id – Fraunhofer ZSI (sumber): Para ilmuwan riset Fraunhofer mengoptimalkan pembuatan model jaringan 3D dengan menggunakan platform sensor modular dan AI.
Solusi para pakar itu memungkinkan kontrol kualitas berkelanjutan dalam bioreaktor dan membuka perspektif baru bagi industri bioteknologi dan farmasi—bukan hanya untuk pengujian obat tanpa menggunakan hewan.
Temuan para ahli itu bermanfaat bagi pelaku industri bioteknologi dan farmasi di Indonesia yang memasuki fase ketika kualitas proses, efisiensi produksi, keamanan data, dan kemampuan scale-up semakin menentukan daya saing.
Fenomena pengembangan intelligent sensor yang dilakukan oleh tim peneliti ahli mampu memantau produksi model jaringan 3D secara real-time—merefleksikan pergeseran penting: pengendalian mutu dilakukan bukan setelah proses produksi selesai, namun ditanamkan langsung ke dalam proses.
Bagi pelaku industri di Indonesia, persoalannya menjadi semakin relevan karena produksi berbasis sel memiliki proses yang kompleks, mahal, sensitif terhadap kondisi lingkungan, dan berisiko menghasilkan kerugian material apabila penyimpangan baru diketahui pada tahap akhir.
Baik untuk skrining obat atau pengujian toksisitas, model jaringan 3D berbasis sel punca merupakan kunci penelitian biomedis.
Akan tetapi, memproduksi agregat sel dalam bioreaktor sangat kompleks dan mahal. Hingga saat ini, kualitas hanya diperiksa di akhir proses. Hal itu bisa menimbulkan risiko tinggi kehilangan waktu dan material.
Di Pusat Kecerdasan Sensor Fraunhofer ZSI, para ilmuwan peneliti dari Institut Fraunhofer untuk Teknik Biomedis IBMT dan untuk Pengujian Nondestruktif IZFP mengembangkan sistem sensor cerdas yang terus memantau dan mengoptimalkan seluruh proses manufaktur.
Sedangkan Fraunhofer IBMT menyumbangkan keahlian dalam mengembangkan metode kultur sel yang dioptimalkan dan distandarisasi serta sistem model inovatif untuk penelitian sel punca.
Platform Sensor Otonom Multimodal (MAUS) dari Fraunhofer IZFP mengimplementasikan pengumpulan dan transmisi data sensor yang inovatif dan informasi yang diperoleh darinya.
Risiko lebih rendah, objektivitas lebih tinggi
Bioreaktor dengan sensor terintegrasi untuk kontrol proses online dan karakterisasi optik agregat sel 3D yang dihasilkan (gambar kiri). Kumparan NFC untuk MAUS (kanan) yang diproduksi menggunakan printer papan sirkuit 3D. (Foto/© Fraunhofer IBMT/Fraunhofer IZFP)
Dalam proyek penelitian SpheroSense, tim Fraunhofer IBMT memasang dua tingkat sensor dalam bioreaktor komersial untuk spheroid sel 3D, yaitu model sel berbentuk bola yang dapat meniru jaringan.
Lingkungan sel dipantau oleh sensor elektrokimia untuk glukosa, laktat, oksigen terlarut, pH, dan suhu. Kamera menyediakan karakterisasi optik agregat sel. Kamera tersebut terus menganalisis ukuran, jumlah, dan kualitas spheroid secara real-time.
Hal ini menghasilkan kurva pertumbuhan, yang memungkinkan kesimpulan untuk ditarik mengenai kondisi optimal.
Para peneliti mengandalkan dua jalur kamera untuk kontrol kualitas visual. Kamera in-situ berfokus pada tabung reaktor yang berputar dan mendeteksi spheroid dalam suspensi, sementara kamera lain mendeteksinya saat ditarik melalui saluran mikrofluida.
AI terintegrasi mengenali dan mengklasifikasikan agregat sel dalam hitungan milidetik. Platform AI edge MAUS menggabungkan semua data sensor, mengevaluasinya langsung di lokasi, dan mentransfer hasilnya ke basis data.
Para ahli di Fraunhofer mengintegrasikan kontrol kualitas waktu nyata dalam produksi. Kontrol kualitas ini objektif, otomatis, dan hemat biaya, karena media untuk sel punca sudah mahal dan proses kultivasi memakan waktu.
Manajer proyek dari Fraunhofer IBMT, Thomas Velten menjelaskan, “Kami mengganti penilaian subjektif dengan evaluasi berbasis AI yang objektif, pemantauan berkelanjutan, dan potensi penyesuaian parameter proses.”
Terakhir, lanjut Thomas Velten pihaknya memastikan konektivitas dengan sistem kontrol proses modern di sektor farmasi dan bioteknologi. Solusi itu sesuai dengan konsep modern seperti Teknologi Analitik Proses (PAT) dan Verifikasi Proses Berkelanjutan seperti yang dipersyaratkan oleh FDA dan EMA.
Pengoperasian sistem bebas label, artinya tidak diperlukan pewarnaan dan spheroid tetap tidak rusak.
Manfaat lebih lanjut adalah solusi bekerja tanpa koneksi cloud dan dengan demikian memenuhi persyaratan keamanan data yang paling ketat. Koneksi cloud dimungkinkan berdasarkan permintaan meski konfigurasi default menyimpan data proses sensitif pada pelanggan.
Sistem ini dapat diadaptasi ke berbagai skenario aplikasi, mulai dari penelitian sel punca hingga produksi sel industri.
“Platform MAUS ini memungkinkan pembuatan prototipe cepat untuk semua aplikasi pemantauan. Dengan desain modularnya, platform ini dapat diadaptasi secara fleksibel dan diperluas dengan cepat dan mudah untuk memenuhi kebutuhan apa pun,” ungkap Christoph Weingard, pengembang kecerdasan sensor dan mikroelektronika, Fraunhofer IZFP.
“Kami menerapkan modul radio dengan Bluetooth dan komunikasi jarak dekat (NFC) di SpheroSense untuk membaca sensor di dalam tabung tanpa kabel tambahan. Modul plug-in yang sesuai cukup dipasang, dan pemantauan dimulai.”
Seluruh sistem ini berhasil digunakan dalam produksi di Pusat Kecerdasan Sensor Fraunhofer ZSI, dengan umpan balik langsung dari rekan-rekan yang memproduksi spheroid sel 3D dan menggunakannya dalam proyek-proyek selanjutnya.
Produksi model jaringan berbasis sel menghadapi tantangan yang tidak sederhana. Media kultur sel bernilai tinggi, proses kultivasi membutuhkan waktu, sementara penilaian kualitas secara manual dapat menghadirkan unsur subjektivitas.
Indonesia tidak harus mengadopsi semua teknologi
Dalam konteks industri Indonesia, persoalan tersebut dapat diterjemahkan menjadi beberapa agenda:
- Efisiensi bahan baku: kegagalan proses yang terlambat terdeteksi dapat meningkatkan waste.
- Konsistensi produk: variabilitas kondisi kultur dapat memengaruhi kualitas model sel.
- Reprodusibilitas: proses yang semakin terotomasi membutuhkan parameter yang dapat diukur dan ditelusuri.
- Integrasi manufaktur: data sensor perlu terhubung dengan sistem kendali proses dan sistem mutu.
- Keamanan data: data proses dan parameter produksi merupakan aset industri yang membutuhkan tata kelola memadai.
Oleh karena itu, digitalisasi bioproses tidak cukup dipahami sebagai pemasangan sensor. Nilai industrinya muncul ketika sensor, AI, analitik, otomasi, dan sistem quality assurance bekerja sebagai satu arsitektur.
Pendekatan Fraunhofer memberikan contoh konkrit mengenai arsitektur tersebut. Sistem menggunakan dua jalur kamera untuk pemeriksaan visual.
Kamera in-situ mengamati spheroid yang berada dalam suspensi, sedangkan kamera lain menganalisis agregat ketika melewati saluran mikrofluida. AI kemudian mengenali dan mengklasifikasikan agregat sel dalam hitungan milidetik.
Pada saat yang sama, MAUS menggabungkan berbagai sumber data sensor, memprosesnya secara lokal, kemudian mengirimkan hasilnya ke database.
Pendekatan ini menawarkan beberapa peluang bagi industri Indonesia: 1. Predictive quality control—penyimpangan dapat diketahui lebih awal; 2. Pengurangan material loss—proses bermasalah dapat ditangani sebelum seluruh batch mengalami kegagalan;
- Standardisasi proses—parameter produksi dapat dipantau secara konsisten; 4. Integrasi PAT—pemantauan proses dapat diarahkan pada konsep Process Analytical Technology;
- Continuous Process Verification—data proses dapat mendukung verifikasi berkelanjutan; dan 6. Data sovereignty—pemrosesan lokal memungkinkan data sensitif tetap berada di lingkungan pelanggan.
SpheroSense menjadi contoh bagaimana teknologi sensor dapat diterapkan langsung pada bioproses.
Sistem tersebut telah digunakan dalam produksi di Fraunhofer ZSI, dengan masukan langsung dari tim yang memproduksi 3D cell spheroids dan menggunakannya dalam proyek lanjutan.
Yang menarik bukan hanya jenis sensornya, tetapi arsitektur modularnya. MAUS dapat dikonfigurasi untuk kebutuhan monitoring yang berbeda. Fraunhofer juga menerapkan modul Bluetooth dan NFC sehingga sensor di dalam tabung dapat dibaca tanpa tambahan kabel.
Bagi Indonesia, konsep modular semacam ini relevan karena memungkinkan teknologi dikembangkan secara bertahap sesuai tingkat kematangan fasilitas, bukan harus melakukan transformasi penuh dalam satu investasi besar.
Penerapan pendekatan serupa berpotensi diperluas dari riset stem cell menuju berbagai kebutuhan bioteknologi dan farmasi, termasuk pengembangan model jaringan untuk drug screening, toxicity testing, dan produksi berbasis sel.
Potensinya dapat dikaitkan dengan ekosistem Indonesia yang sedang membangun kapasitas manufaktur farmasi, riset bioteknologi, laboratorium pengujian, serta fasilitas produksi berbasis bioproses.
Adopsi dimulai dari pertanyaan sensor apa yang harus dibeli? Parameter proses mana yang paling menentukan kualitas, kapan parameter tersebut harus diukur, bagaimana datanya divalidasi, dan bagaimana hasil pengukuran memengaruhi keputusan produksi?
Pelajaran utama dari Fraunhofer adalah bahwa sensor cerdas bukan sekadar perangkat monitoring, melainkan infrastruktur pengambilan keputusan produksi.
Ketika data proses dikombinasikan dengan AI dan diproses secara real-time, industri memiliki peluang untuk mengurangi risiko kegagalan, meningkatkan objektivitas quality control, memperbaiki konsistensi proses, dan membangun fondasi manufaktur berbasis data.
Pendekatan itu menjadi referensi untuk mengembangkan smart biomanufacturing yang lebih efisien, terdokumentasi, dan adaptif.
Meski prioritasnya bukan meniru teknologi Fraunhofer secara langsung, melainkan mengadopsi prinsipnya: ukur proses secara kontinu, analisis data sedini mungkin, pertahankan kendali atas data, dan gunakan informasi tersebut untuk mengambil keputusan produksi.
Pada akhirnya, transformasi industri bioteknologi Indonesia akan semakin ditentukan oleh kemampuan menghubungkan biologi, sensor, AI, otomasi, dan quality assurance dalam satu ekosistem produksi.
SpheroSense menunjukkan bentuk konkretnya: ketika kualitas dapat dipantau sejak proses berlangsung, peluang efisiensi dan inovasi tidak lagi menunggu sampai produk selesai. #SalamSobatTechnoMachinews
