Gedruckte Polymere mit Wirkstoff versehen

Mit 3D-Druck können vielseitige, individuelle Formen hergestellt werden. Nicht nur in der Kunststoff-Industrie ist diese Art des Extrusionsprozesses daher beliebt – auch für medizintechnische Anwendung ist sie geeignet. Nur müssen zunächst die richtigen Polymere gefunden werden.

Im Interview mit K-Mag spricht Dr. Julian Quodbach darüber, auf welchem Stand die Forschung zu pharmazeutischen Polymeren heute ist und was es so schwierig macht, diese für den 3D-Druck von Medikamenten zu nutzen.

Was sind pharmazeutische Polymere?

Dr. Julian Quodbach: Pharmazeutische Polymere können synthetische Polymere oder Derivate von natürlichen Polymeren sein, zum Beispiel Cellulose-Ether oder Stärke-Derivate. Es gibt eine gewisse Bandbreite an pharmazeutischen Polymeren, die anderen Anforderungen entsprechen müssen als herkömmliche Polymere. Sie dürfen nicht toxisch sein, müssen je nach Nutzung im Körper abgebaut werden können und müssen eine Reinheit aufweisen, die Polymere für eine technische Anwendung häufig nicht benötigen. 

Warum müssen für die Forschung an gedruckten Medikamenten neue pharmazeutische Polymere entwickelt werden?

Quodbach: Wir schauen uns insbesondere das Fused-Deposition-Modelling-Verfahren (FDM) an: Dabei geht es darum, wie die Polymere mit Wirkstoffen über einen Extrusionsprozess zu Filamenten hergestellt, die anschließend verdruckt werden. Das Problem bei diesem Verfahren ist, dass zum einen die Verarbeitungstemperaturen der meisten pharmazeutischen Polymere hoch sind, was wiederum eine thermische Instabilität der Wirkstoffe zur Folge hat – wenn Wirkstoff auf 200 Grad erhitzt wird, ist vom Wirkstoff danach häufig nichts mehr vorhanden. 

Ein weiteres Problem ist das Filament selbst: Es braucht bestimmte mechanische Eigenschaften, damit man es 3D-drucken kann.

Die Entwicklung neuer Polymere für diese Anwendung wird im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung finanzierten Projekt "PolyPrint – Druckbare Polymer-Wirkstoff-Filamente für die individuelle orale Arzneistoffdosierung" durchgeführt. Die Firma Merck arbeitet sehr intensiv an der Entwicklung und hat bereits eine erste Generation an Polymeren übergeben, die bei geringeren Temperaturen extrudiert werden können und besser druckbar sind. In einer zweiten Generation der Polymere soll das nun noch verbessert werden.  

Dritter Partner ist die Firma Gen-Plus, die vor allem analytische Entwicklungen beisteuert und Stabilitätsstudien für die Polymer-Wirkstoff-Kombinationen durchführt. 

Wie sieht die Beteiligung der HHU an der Forschung aus? 

Quodbach: Bei der HHU kümmern wir uns insbesondere um die Prozessentwicklung. Wir nehmen die neuen Polymere und schauen, wie gut man diese mit einem Doppelschneckenextruder extrudieren kann, welche Eigenschaften die Filamente haben, welche Freisetzungseigenschaften für die Wirkstoffe daraus resultieren und wie man diese beeinflussen kann. Außerdem entwickeln wir Modelle, um die Wirkstofffreisetzung präzise steuern und vorhersagen zu können.

Dazu kommen noch andere Punkte: Wir beschäftigen uns mit der Traceability von Arzneimitteln, um Arzneimittelfälschungen zu vermeiden und zu erschweren.

In einem weiteren Teilprojekt betrachten wir, wie thermolabile Wirkstoffe beim Extrusionsprozess abgebaut werden, wo die Wärmebelastung am größten ist und wie sie verringert werden kann.

Wie sehen die weiteren Schritte aus, bis 3D-gedruckte Medikamente marktreif sind?

Quodbach: Hier muss man zwischen verschiedenen Anwendungsszenarien unterscheiden: Die Möglichkeit, Arzneimittel direkt auf ärztliche Verschreibung zu drucken, könnte in den nächsten Jahren mit entsprechenden Druckern Realität werden. Eine Herausforderung wird sein, den Herstellenden die neue Technologie näherzubringen und die Vorteile zu vermitteln. Ein Vorteil liegt neben einer Sicherung der Arzneimittelqualität in viele Fällen darin, dass Arbeitskräfte für andere Tätigkeiten freigestellt werden können. 

Wenn man an eine industrielle Herstellung denkt, ergeben sich andere Perspektiven. Denn dort können nicht einfach Einzelverordnung auf Rezept hergestellt werden. Es gibt bisher keine gesetzliche Grundlage, die eine Zulassung für individuell produzierte Arzneimittel ermöglicht. Was im industriellen Szenario realistischer ist, ist die Herstellung von klinischen Prüfmustern für die Durchführung von klinischen Studien. Bevor ein Arzneimittel zugelassen wird, wird ein rigoroses Prüfverfahren durchlaufen, für welches Darreichungsformen mit unterschiedlichen Dosierungen benötigt werden. Für solche Anwendungsfälle braucht man in der Regel kleinere Chargen, die aber in größerer Zahl. Für diesen Zweck ist der pharmazeutische 3D-Druck hervorragend geeignet.