Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

HME 3D - 3D-Druck pharmazeutischer Darreichungsformen mittels Schmelzextrusion

Aufgrund neuer diagnostischer Methoden steht das Gesundheitswesen vor einem einschneidenden Wandel. Für viele Arzneistoffe werden patientenindividuell präzise Wirkstoffdosierungen definiert, die bei minimalen Nebenwirkungen die maximale Wirkung aufweisen. Dafür wird die Herstellung individueller Arzneimittel in Kleinstchargen nötig sein, was mit dem bestehenden industriellen Equipment nicht ökonomisch umzusetzen ist. Der 3D-Druck bietet die Möglichkeit einer dezentralen und flächendeckenden Arzneimittelversorgung. Die Herstellung von individuellen Kleinstchargen kann von kleinen pharmazeutischen Unternehmen oder (Krankenhaus-)Apotheken übernommen werden. Für schwerlösliche - zum Teil in der Entwicklung befindliche - Arzneistoffe ist das 3D-Druckverfahren der Schmelzschichtung (Fused Filament Fabrication, FFF) besonders gut geeignet. Bei der FFF werden dünne, wirkstoffbeladene Polymerfäden, sogenannte Filamente, in einen 3D-Druckkopf eingezogen, aufgeschmolzen und verdruckt. Jedoch können mittels FFF nur wenige pharmazeutische Polymere zuverlässig verdruckt werden. Diese Polymere wurden auf Basis pharmazeutischer Bedürfnisse, jedoch nicht mit den für die FFF nötigen mechanischen Eigenschaften entwickelt. Die Vorteile vieler zugelassener Polymere können folglich nicht genutzt werden.

In diesem Projekt wird ein modulares 3D-Drucksystem zur Ankopplung an einen pharmazeutischen Hot-Melt-Extruder (HME) erforscht und zu einem Demonstrator ausgearbeitet, um direkt aus dem Extrusionsprozess wirkstoffbeladene pharmazeutische Polymere zu Darreichungsformen zu verdrucken. Mit dem HME-Druckverfahren lassen sich auch Lipide, die mit der FFF nicht verarbeitbar sind, verdrucken. Damit werden die Möglichkeiten der Herstellung von individualisierten Darreichungsformen verbessert. Die im Projekt erarbeiteten Ergebnisse ermöglichen zudem mittelständischen Maschinenherstellern den Einstieg in die Produktion pharmazeutischer Anlagen, was im großindustriellen Maßstab kaum möglich ist.

Ergebniszusammenfassung:

Das primäre Ziel des Projektes, die Kopplung von Schmelzextrusion und 3D-Druck, konnte mit Hilfe von Simulationen, Versuchen und Prototypenbau erreicht werden. Das System hat sich als geeignete Methode zur Herstellung von 3D-gedruckten Darreichungsformen herausgestellt. Diese Verarbeitungsform hat entscheidende Vorteile gegenüber herkömmlichen 3D Druckverfahren. Erstens kann durch den extrusionsgekoppelten 3D-Druck die thermische Belastung des Arzneistoffs und anderer Hilfsstoffe reduziert werden, da ein zweiter Schmelzvorgang wie beim FDM-3D-Druck nicht erforderlich ist. Zweitens können Materialien, die für die Extrusion, aber nicht für den FDM-Druck geeignet sind, in diesem System verarbeitet werden. So wurde die Zahl der für den 3D-Druck verwendbaren Trägermaterialien erhöht. Mit dem neuen System können Wirkstoffe verdruckt werden, die mit den bisher verarbeitbaren Materialien nicht kompatibel oder nicht pharmazeutisch sinnvoll kombiniert werden konnten. Beispielsweise können nun stark lipophile Wirkstoffe mit niedrigen Schmelzpunkten in einer Lipidmatrix verdruckt werden, was vorher unmöglich war.

Das neue Verfahren stellt zudem einen kontinuierlichen Prozess dar, da ein Förderband als Druckbett genutzt wird.

Allerdings hat das Projekt auch verdeutlicht, dass das Extrusionsverfahren den ohnehin schon komplexen 3D-Druckprozess erschwert, da keine Entmischung stattfinden darf und Druckschwankungen im System minimiert werden sollten. Eine präzise Massenstrom- und Druckregelung während des gesamten Prozesses ist für eine robuste Fertigung unerlässlich.

Um das wahre Potenzial dieses Systems zu ermitteln, müssen weitere, extensive Versuche mit unterschiedlichen Materialkombinationen bei verschiedenen Temperaturen und Drücken durchgeführt werden. Schon jetzt stellt dieses System eine Neuerung im pharmazeutischen 3D Druck dar und erschließt neue Anwendungsfälle, die kommerziell umgesetzt werden können.