Die mit dem System verarbeiteten und neu entwickelten pharmazeutischen Polymere stammen von der Firma Merck. Diese sind für zwei Prozesse geeignet: die Hot Melt Extrusion und das Fused Deposition Modeling, die gleichermaßen Grundlage des neuen 3D-Druckverfahrens sind.
Bei der Hot-Melt-Extrusion werden Kunststoffe aufgeschmolzen, mit den pharmazeutischen Wirkstoffen vermischt und zu langen Fäden, den Filamenten, verarbeitet. Das Fused Deposition Modeling ist eine 3D-Drucktechnologie, bei der die Filamente im Druckkopf ein zweites Mal aufgeschmolzen und zu Tabletten geformt werden. Anforderungen an die neuen Polymere sind unter anderem eine hohe Wasserlöslichkeit, geringe Verarbeitungstemperatur und hohe thermische Stabilität.
Der Druckprozess
Der im Labor für Fertigungssysteme der TH Köln entwickelte Prototyp des neuen 3D-Druckers arbeitet mit zwei Druckköpfen. Diese können Filamente mit unterschiedlichen Wirkstoffen verarbeiten und nacheinander oder im Wechsel eine Tablette drucken. Wenn das System komplett ausgebaut ist, könnten bis zu acht Druckköpfe integriert werden. Dabei entspricht das Gerät den Anforderungen der „Good Manufacturing Practice“ nach dem EU-GMP-Leitfaden für Anlagen in der pharmazeutischen Produktion.
Der Druckraum ist daher komplett abgekapselt und alle Komponenten, die mit Material in Berührung kommen, können leicht entfernt und gereinigt werden. Der wassergekühlte Druckkopf ist auch für brüchige Filamente geeignet.
Das Institut für Pharmazeutische Technologie und Biopharmazie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und die Firma Gen-Plus untersuchten den Verarbeitungsschritt vom Polymer zur Tablette. Zentral dafür ist der Extruder, der Polymere und Wirkstoffe vermischt. Dieser wurde so konfiguriert, dass auch bei sehr geringen Dosierungen von 0,1 Prozent Wirkstoff Filamente entstehen, die vollständig homogen sind, damit jede Tablette die gleiche Menge Wirkstoff enthält. Zudem wurden die Druck- und Temperaturbedingungen im Druckkopf analysiert.
Individuell gedruckte Medikamente ermöglichen es auch, die Freisetzung der Wirkstoffe an den Körper etwa über bestimmte Geometrien oder Oberflächen zu steuern. Beispielhaft entwickelten die Projektpartner daher eine Tablette zur Behandlung von Parkinson mit drei Wirkstoffen. Diese wurde so gestaltet, dass die Wirkstoffe sich nacheinander aus der Tablette lösen und so in der Behandlung die optimale, aufeinander abgestimmte Wirkung zeigen.
Anwendungsfall Pädiatrie
Zum Einsatz könnte die neue Technologie in Apotheken oder Krankenhäusern kommen. Der Umgang mit dem neuen 3D-Drucker sowie den Filamenten mit dem Polymer-Wirkstoff-Gemisch soll einfach gestaltet und schnell erlernbar sein.
Mit den gedruckten Medikamenten könnten etwa Kleinkinder und Kinder behandelt werden, für die Medikamentendosen aufgrund des schnellen Wachstums in sehr kleinen Schritten angepasst werden müssen. Auch in der Präzisionsmedizin, die Arzneistoffe patientengenau zuschneidet, könnte das Verfahren Anwendung finden. Möglich sind Chargengrößen zwischen einer und hundert Tabletten.
Ausgründung geplant
Die gewonnenen Erkenntnisse zu Polymeren, Druckverfahren und Druckerdesign wollen die Projektpartner in ein Start-up einfließen lassen, das in den kommenden Jahren ein marktreifes Produkt entwickeln soll.
Das Projekt „PolyPrint – Prozesssichere und reproduzierbare Herstellung pharmazeutischer Darreichungsformen nach dem FLM-Verfahren“ wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Programm „ProMatLeben – Polymere“ über drei Jahre gefördert. Projektpartnerinnen waren die TH Köln, die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU), Merck und Gen-Plus.
