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3D-Druck von medizinischen Implantaten Maßgeschneiderte Medikamentenspender direkt in den Körper bringen

Autor / Redakteur: Christian Sander* / Christian Lüttmann

Nach einer Operation braucht man oft Schmerzmittel. Statt Tabletten oder Infusionen würden sich hier implantierbare Wirkstoffcontainer eignen, die das Schmerzmittel optimal dosiert und ohne Anschluss an den Tropf über einen längeren Zeitraum freigeben. Um solche medizinischen Implantate per 3D-Druck maßgeschneidert herzustellen, hat eine Forscherin an der Technischen Hochschule Köln eine neue Methode entwickelt.

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Versuchsaufbau der 3D-Druckanlage: Vier Laser werden über Umlenkspiegel in das Harz darüber (nicht im Bild) fokussiert. Dort treffen sie sich in einem Punkt und härten das Harz aus.
Versuchsaufbau der 3D-Druckanlage: Vier Laser werden über Umlenkspiegel in das Harz darüber (nicht im Bild) fokussiert. Dort treffen sie sich in einem Punkt und härten das Harz aus.
(Bild: Thilo Schmülgen)

Köln – Tabletten sind zwar eine praktische Form der Medikation, die man leicht auch zu Hause durchführen kann. Eine konstante Dosierung ist damit allerdings schwierig, besonders, wenn man die Einnahme einmal vergessen hat. In vielen Fällen wäre es sinnvoller, den Wirkstoff kontrolliert und konstant über längere Zeit freizusetzen. Dies ist das Ziel der Wissenschaftlerin Mi Steinbach. Sie arbeitet an einer Methode und den Materialien für die Herstellung von 3D-gedruckten Implantaten, die Wirkstoffe gleichmäßig über einen langen Zeitraum abgeben. Dazu hat sie ein neues 3D-Druckverfahren optimiert und ein Polymerharz entwickelt, das unter Laserbestrahlung aushärtet. „Über allem steht die Frage, wie die Freisetzung eines Wirkstoffs über einen definierten Zeitraum exakt gesteuert werden kann“, sagt Steinbach.

Zum Einsatz könnte das Verfahren bei der Entwicklung von Implantaten kommen, die unter die Haut appliziert werden. Dort diffundiert der Wirkstoff kontrolliert aus der Polymermatrix in den Blutkreislauf. Damit kann die Bioverfügbarkeit gesteuert werden, also wie viel Wirkstoff wie schnell an den Wirkort gelangt. Das eigentliche Präparat ist im menschlichen Körper nicht löslich und wird wieder entfernt. Denkbar ist etwa der Einsatz bei Menschen, die Schwierigkeiten haben, eigenständig regelmäßig Medikamente zu sich zu nehmen.

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Schonender 3D-Druck mithilfe von Laser-Technik

Zur Herstellung von Implantaten hat Steinbach in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Michael Gartz am Institut für Angewandte Optik und Elektronik der TH Köln eine klassische 3D-Druckmethode weiterentwickelt: die Stereolithographie. Bei Steinbachs Methode kommt ein flüssiges Harz aus verschiedenen Polymeren zum Einsatz, denen die medizinischen Wirkstoffe sowie ein lichtempfindlicher Initiator zugefügt sind. Bestrahlt man das Harz mit Licht einer bestimmten Wellenlänge, zerfällt der Initiator, startet damit die Polymerisation lässt das Harz aushärten. Bei der klassischen Stereolithographie wird das Harz so kontrolliert an der Oberfläche ausgehärtet und die 3D-Objekte entstehen Stück für Stück im Schichtverfahren.

Steinbach und Gartz haben diese Methode zur so genannten Multi Laser Volume Stereolithography (MLVS) weiterentwickelt. Dabei gelingt es durch den Einsatz von mehreren Laserstrahlen, innerhalb des Harzgemischs dreidimensionale Strukturen zu erschaffen. „Ich verwende je nach Ansatz vier bis sechs Laserstrahlen, von denen jeder einzelne eine sehr geringe Intensität aufweist“, sagt Steinbach. „Die Einzelstrahlen dringen also in das Harz ein, ohne dieses auszuhärten. Im Harzvolumen treffen sich die Strahlen dann in einem Punkt und ihre Intensität überlagert sich, sodass die Polymerisation gestartet wird und das Harz aushärtet.“ Diese Methode erlaubt es, Strukturen nun auch aus dem Inneren des Harzes heraus zu modellieren, und nicht mehr nur von er Oberfläche ausgehend.

Im Gegensatz zum Fused Deposition Modeling, einer gängigen 3D-Druck-Methode, bei der die Ausgangsstoffe geschmolzen und dann in Schichten gedruckt werden, entsteht bei Steinbachs Methode zudem keine Hitze, die den Wirkstoffen im Harz schaden könnte. Dies vergrößert die Einsatzmöglichkeiten, da auch wärmeempfindliche Wirkstoffe verwendet werden können. Zudem fällt die aufwändige Nachbearbeitung weg, da anstelle von Schichten mit einem unebenen Übergang glatte Oberflächen gedruckt werden können.

Ein Material zur kontrollierten Wirkstoff-Freisetzung

Um die Drucktechnik im pharmazeutischen Bereich anwenden zu können, arbeitet Steinbach daran, eine eigene Harzmischung zu entwickeln: „Grundlegend ist, dass im fertigen Implantat keine Inhaltsstoffe mehr enthalten sind, die für den Menschen toxisch werden könnten. Da die medizinischen Wirkstoffe von Anfang an dem Harz beigemischt sind, sollte zudem ausgeschlossen sein, dass diese mit den Polymeren reagieren“, sagt Steinbach.

Die Bioverfügbarkeit kann sowohl über die Zusammensetzung des Harzes, aber auch über die Herstellungsparameter beim 3D-Druck gesteuert werden. Je nach Länge der Polymerketten im Harz baut sich ein Polymernetzwerk mit engeren oder weiteren Maschen auf. Dies hat direkten Einfluss auf die Geschwindigkeit, mit der der Wirkstoff aus der Medikamentenform diffundiert. Zudem kommt es durch das Quellen der Polymere in Flüssigkeit zu zeitlich veränderten Freisetzungseigenschaften. Steinbach führt daher Langzeitmessungen der Wirkstofffreisetzung durch, um die unterschiedlichen Polymerharzmischungen zu charakterisieren.

Die Kinetik der Aushärtung und die sich einstellende Maschenweite des Polymernetzwerkes bestimmen nicht nur die Wirkstofffreisetzung, sondern auch die mechanische Stabilität der Materialien. Benötigt wird ein dreidimensional vernetztes Material, welches auch nach der Implantation in den Körper stabil ist. Zu diesen Fragestellungen führt Steinbach Untersuchungen an der Universität Koblenz-Landau unter der Leitung von Prof. Dr. Silke Rathgeber durch.

Originalpublikation: Steinbach M, Gartz M, Hirsch R: Design and characterization of 3D printable photopolymer resin containing poly (2-hydroxyethyl methacrylate) for controlled drug release, Journal of Drug Delivery Science and Technology, Volume 59, October 2020, 101850; DOI: 10.1016/j.jddst.2020.101850

* C. Sander, Fachhochschule Köln, 50968 Köln

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