Druckbare Polymer-Wirkstoff-Filamente für die individuelle orale Arzneistoffdosierung (PolyPrint)

Die Entwicklung neuer Polymere im Rahmen des Projekts Polyprint erfolgt basierend auf bereits in der pharmazeutischen Industrie bekannten und für diese Anwendungen geeigneten Polymermotiven, aus denen neue Polymerentitäten dargestellt werden. Diese Polymere werden hinsichtlich eines im Konsortium entwickelten Anforderungskatalogs bewertet und optimiert. Neben präzise eingestellten physikochemischen, thermomechanischen oder Prozessierungs-Eigenschaften, müssen die neuen Polymere auch biologische Kompatibilität aufweisen und dürfen nicht toxisch sein. Eine zentrale thermomechanische Größe ist die Schmelzviskosität, welche für eine erfolgreiche Extrusion unter 10000 Pa s bei niedrigen Temperaturen liegen sollte. Nach ersten Optimierungen kann bereits eine Auswahl an Polymeren der ersten Generation bei deutlich niedrigeren Temperaturen als in der pharmazeutischen Forschung üblich extrudiert und verdruckt werden. Dies eröffnet neue Möglichkeiten in der Verwendung mit temperaturlabilen Wirkstoffen. Weiterhin wird eine verbesserte Verarbeitbarkeit für zwei Polymer-Varianten erfolgreich demonstriert. Die Synthese dieser Polymere wird für weitere Versuche bei den Projektpartnern skaliert, so dass geeignete Mengen der Polymere den Partnern für Experimente zur Verfügung gestellt werden können.   Ein Ziel der Entwicklung von Polymeren der zweiten Generation ist die weitere Optimierung der Prozessierungseigenschaften, insbesondere bezüglich des Fließverhaltens des Polymers und der benötigten Verarbeitungstemperatur. Darüber hinaus liegt ein weiterer Fokus auf der Verbesserung lösungsvermittelnder Eigenschaften der Polymere. Dies bedeutet, dass schwerlöslichen Wirkstoffen durch gute Löslichkeit in der Polymermatrix bioverfügbar werden. Dies kann unter anderem durch die amorphe Einbettung des Wirkstoffs in die Polymermatrix zu einem vorteilhaften Verhalten führen. Denn nur, wenn sich die ausgewählten Wirkstoffe im Magensaft oder Darmsaft lösen, können diese einen therapeutischen Effekt ausüben. 

Neu synthetisierte und kommerziell verfügbare Polymere wurden mit verschiedenen Wirkstoffen in einem Extruder vermischt und zu Strängen, den Filamenten, verarbeitet. Die Filamente wurden anschließend mit einem FDM 3D Drucker zu Darreichungsformen unterschiedlicher Geometrie verdruckt. Für diese wurde ein neues Vorhersagemodell entwickelt, welches die Freisetzung des Wirkstoffs aus den Tabletten mit hoher Präzision ermöglicht. Aus Filamenten mit verschiedenen Wirkstoffen wurde auch eine sogenannte PolyPill realisiert. Diese enthält verschiedene Wirkstoffe in unterschiedlichen Dosierungen und erlaubt es, das Freisetzungsverhalten und die Wirkstoffmenge individuell auf Patienten anpassen. Mit diesem Ansatz kann die Anzahl der pro Tag zu schluckenden Tabletten reduziert werden.

Zur Charakterisierung von wirkstofffreien und wirkstoffhaltigen Filamenten und 3D gedruckten Tabletten wurden analytische Methoden entwickelt und angewendet. Neben physikochemischen Eigenschaften, wie beispielsweise das Wasseraufnahmeverhalten, welches im ungünstigsten Fall zu einem Abbau des Wirkstoffes führen kann, sind eine gleichförmige und homogene Verteilung des Wirkstoffes und seine chemische und physikalische Stabilität von großem Interesse. Die hergestellten Filamente mit und ohne Wirkstoff sowie die mittels 3D Druck hergestellten Tabletten wurden und werden nach Lagerung unter Standard- und Stressbedingungen auf ihre physikalische und chemische Stabilität untersucht. Diese Untersuchungen sind nötig, um eine gleichbleibend hohe Qualität der gedruckten Darreichungsformen sicherzustellen. Da kommerziell erhältliche Drucksysteme nicht geeignet sind, pharmazeutische Produkte zu produzieren, wird derzeit ein neu entwickeltes Drucksystem aufgebaut. Dieses ist auf die Anforderungen der Polymer-Wirkstoffgemische abgestimmt und ist als GMP-ready-System ausgelegt. Beim aktuellen Aufbau der mechanischen Einheiten werden auch die Überprüfung der Funktionalität aller Komponenten, das Einmessen aller relevanten Systeme, die Programmierung der Software und des HM und das Testen aller 3D Druckabläufe durchgeführt. Ein besonderer Fokus liegt auf der integrierten Qualitätskontrolle und dem Nachweis der verarbeiteten Materialien im Druckprozess. Ziel des Vorhabens ist es, eine Regelung zu etablieren, die während des 3D Druckprozesses die Wirkstoffmenge misst und mögliche Abweichungen ausgleicht. Somit soll die gewünschte Menge, auch mehrerer Polymer-Wirkstoffgemische, bei jedem Druck erreicht werden.