In einem im Sommer 2019 gestarteten Projekt forschen die Technische Hochschule Köln (TH Köln) und die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) an den Möglichkeiten von additiver Fertigung in der Pharmaherstellung. Im Fokus stehen Arzneimittel unterschiedlicher Dosis für individualisierte Kleinst- und Kleinchargen.
Basis des Projekts sind ein pharmazeutischer Schmelzextruder, in dem die Ausgangssubstanzen für die Medikamente vermischt und aufgeschmolzen werden, sowie ein neu zu entwickelndes Drucksystem für die Herstellung oraler Darreichungsformen wie etwa Tabletten. Im Extruder werden pharmazeutische Wirkstoffe unter anderem mit bioresorbierbaren Polymeren, das heißt Kunststoffen, die der Körper abbauen kann, verarbeitet und aufgeschmolzen.
Aufbau von Extruder und Druckkopf
„Unser Augenmerk liegt darauf, ein absolut homogenes Gemisch herzustellen, das den Qualitätsstandards der Arzneimittelherstellung entspricht und jederzeit reproduzierbar ist“, sagt Dr. Julian Quodbach vom Institut für Pharmazeutische Technologie und Biopharmazie der HHU, das für die Entwicklung und Erforschung der Wirkstoff-Polymermischungen zuständig ist. „Insbesondere die Produktion von Medikamenten mit sehr geringer Wirkstoffdosierung ist dabei die Herausforderung.“
Das Labor für Fertigungssysteme der TH Köln entwickelt das Drucksystem, das direkt an den Extrusionsprozess anschließt und etwa 100 Tabletten pro Stunde produzieren soll. „Wenn der Extruder einmal optimal eingestellt ist, muss er dauerhaft fördern und kontinuierlich Material liefern, um die Qualität und Gleichförmigkeit der Tabletten zu garantieren“, erklärt Tilmann Spitz von der TH Köln.
Das Drucksystem hingegen arbeitet diskontinuierlich und muss prozessbedingt kurze Pausen einlegen. Das soll sicherstellen, dass „die einzelnen Darreichungsformen nicht durch Stränge verbunden sind und kein Material vergeudet wird“, sagt Spitz. Das Forscherteam arbeitet deshalb an einem Puffersystem, in dem das Material für eine gewisse Zeit bei Schmelztemperatur gespeichert und wieder abgegeben werden kann.
Größere Materialvielfalt durch einmaliges Aufschmelzen
Im herkömmlichen 3D-Druck wird die Polymer-Wirkstoffmasse nach dem Verlassen des Extruders zu langen Kunststoffsträngen, den sogenannten Filamenten, verarbeitet. Diese werden dann in einem 3D-Drucker ein zweites Mal aufgeschmolzen und gedruckt. „Da wir den Druckkopf direkt hinter dem Extruder platzieren, sparen wir das Zwischenprodukt. Die Polymere müssen nur einmal aufgeschmolzen werden, was besonders für hitzeempfindliche Wirkstoffe gut ist“, sagt Spitz.
Das Forschungskonsortium erhofft sich von der neuen Technologie auch, eine größere Bandbreite an Stoffen verarbeiten zu können. „Es gibt eine Reihe von Polymeren, die dabei helfen, schwer lösliche Wirkstoffe besser in den Körper aufnehmen zu können. Diese möchten wir gerne verarbeiten“, sagt Quodbach von der HHU. Wachse und Lipide zeigen laut ihm andere interessante Effekte, lassen sich aber nicht zu 3D-druckbaren Filamenten verarbeiten. „Mit dieser neuen Technologie hoffen wir, auch diese vielversprechenden Substanzen für den pharmazeutischen 3D-Druck zugänglich zu machen.“
Projektbegleitung durch die Industrie
Das Projekt HME 3D – 3D-Druck pharmazeutischer Darreichungsformen mittels Schmelzextrusion wird über das Programm Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) von Juni 2019 bis November 2021 gefördert. Mit dem Programm unterstützt das Ministerium unter anderem Grundlagenforschung mit Fokus auf industrielle oder kommerzielle Anwendungsbereiche. Ein projektbegleitender Ausschuss mit Industrievertretern soll Input und Ideen liefern sowie als Rückkopplung mit der Praxis dienen.
