Tabletten drucken statt pressen

Die additive Fertigung ermöglicht die Herstellung von dreidimensionalen Objekten und wird häufig eingesetzt, um Prototypen oder Ersatzteile schnell vor Ort zu produzieren. Das als 3D-Druck bezeichnete Verfahren ist aber auch in der Arzneimittelherstellung angekommen und soll hier für eine personalisierte Medizin sorgen.

Mittels 3D-Druck können bereits Medikamente hergestellt werden, die auf das jeweilige Krankheitsbild der zu behandelnden Person exakt zugeschnitten sind. Ein Forschungskonsortium hat hierzu nun ein neues Verfahren entwickelt. Im Projekt HME 3D haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der TH Köln und der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) ein neues Druckverfahren entwickelt, mit dem mehr Wirkstoffe und Trägermaterialien verdruckt werden können.

Bei der 3D-Drucktechnologie werden üblicherweise so genannte Filamente verwendet – aufgeschmolzener und zu langen Fäden geformter Kunststoff. Der 3D-Drucker schmilzt diese erneut auf und formt daraus das Endprodukt. „Wenn in einem solchen Prozess pharmazeutische Polymere verwendet und zweimal erhitzt werden, schadet das den darin enthaltenen medizinischen Wirkstoffen. Zudem sind Filamente aus pharmazeutischem Polymer häufig zu weich oder zu spröde und lassen sich nicht zuverlässig drucken. Daher haben wir einen Prozess entwickelt, bei dem der Kunststoff direkt verdruckt wird, ohne dass vorher ein Filament erzeugt wird“, erläutert Ines Haase vom Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik der TH Köln.

Besonders bei Kindern müssten Medikamentendosen aufgrund ihres schnellen Wachstums eigentlich in kleinen Schritten angepasst werden. „Wenn die behandelnden Ärztinnen oder Ärzte die benötigte Dosis berechnen, könnten wir das Medikament auf Rezept exakt drucken“, erläutert Prof. Dr. Julian Quodbach, der das Projekt am Institut für Pharmazeutische Technologie und Biopharmazie der HHU geleitet hat und jetzt Professor an der Universität Utrecht ist. Auch in der Präzisionsmedizin, die Arzneistoffe patientengenau dosiert, kann das Verfahren Anwendung finden. Möglich sind Chargengrößen zwischen einer und mehreren Tausend Tabletten.

Ein Team des Labors für Fertigungssysteme der TH Köln hat dafür ein neuartiges Druckverfahren entwickelt. Den Ausgangspunkt bildet ein Schmelzextruder, der Polymere und Wirkstoffe schmilzt und mischt. Dieses Material wird in den Druckkopf transportiert und zu Tabletten geformt. Eine Herausforderung: Die Schmelzextrusion erfolgt horizontal; gedruckt wird aber vertikal. Daher muss die geschmolzene Masse umgeleitet werden. „Die verwendeten pharmazeutischen Materialien sind sehr empfindlich. Wir mussten dafür sorgen, dass die Umlenkung keinen negativen Effekt auf die Qualität der Schmelze hat. Trotzdem muss die verwendete Technik einfach gehalten sein, da sie nach den Vorgaben der ‚Good Manufacturing Practice‘ für Anlagen in der pharmazeutischen Produktion nach jedem Extrusionsprozess einfach zu demontieren und zu reinigen sein muss“, sagt Haase. Im Laufe des Projekts entstand ein Prototyp, der an der HHU getestet wurde.

Die HHU-Pharmazeutinnen und Pharmazeuten haben sich parallel mit der Entwicklung der zu verdruckenden Materialien beschäftigt. „Die neue Technologie hat es uns ermöglicht, über eine deutlich breitere Palette an Trägermaterialien und Wirkstoffen nachzudenken. Denn der schonendere Umgang mit dem Material lässt zu, dass auch empfindlichere Wirkstoffe verarbeitet werden können. Zudem ist es möglich, auch Lipide, also Fettstoffe, als Trägermaterial zu verwenden. Damit weiten wir das Feld der möglichen Arzneistoffe noch einmal deutlich, denn eine ganze Reihe von interessanten Wirkstoffkandidaten lässt sich nicht in Polymeren verarbeiten“, so Arne Schulzen, Doktorand am Institut für Pharmazeutische Technologie und Biopharmazie der HHU. Neben der Verwendung von Polymeren und Lipiden soll nun in einem nächsten Schritt der Druck von Wachsen erprobt werden, um noch mehr Möglichkeiten in der Herstellung zu erhalten.

Ein weiteres additives Verfahren, das in der Arzneimittelherstellung zum Einsatz kommt, ist der 3D-Siebdruck. Das US-amerikanische Unternehmen Laxxon Medical hat dazu eine Technologie entwickelt, mit der strukturierte Tabletten hergestellt werden können. Sie ermöglicht unter anderem eine kontrollierte Freisetzung von pharmazeutischen Wirkstoffen über einen längeren Zeitraum hinweg. Zugleich können mehrere Inhaltsstoffe in einer Tablette kombiniert werden. Für eine zielgenaue Abgabe der Wirkstoffe in den neuartigen Tabletten sorgen Polymere von Evonik. Der Vorteil: Die kontrollierte Wirkstofffreisetzung reduziert die Nebenwirkungen und die Menge der Tabletten, die Patientinnen und Patienten nehmen müssen. Zudem können Tabletten mit verschiedenen Schichten hergestellt werden – etwa eine Kombination von aktiven und inaktiven Schichten, die eine Freisetzung mehrerer Dosen eines Arzneimittels zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermöglicht.

Bereits 2021 startete in Heidelberg eine Klinische Machbarkeitsstudie: Das Universitätsklinikum Heidelberg erprobte in Kooperation mit dem Start-up DiHeSys Digital Health Systems GmbH den digitalen zweidimensionalen Druck von Arzneimitteln auf Gelplättchen, die sich im Mund innerhalb von Sekunden auflösen. Die Vorteile sind auch hier, die stufenlose Anpassung der Dosierung über einen weiten Bereich, sowie die automatisierte Herstellung, die insbesondere die Herunterdosierung von Medikamenten vereinfacht. Der 2D-Druck von Arzneimitteln funktioniert ähnlich einem Tintenstrahldrucker: Die „Tinte“ enthält das aufgelöste Arzneimittel. Sie wird vom Pharma-Drucker auf ein briefmarkendünnes Plättchen aufgetragen, das wasserlöslich ist und sich im Mund von alleine auflöst. Das Start-up stellt dem Universitätsklinikum die hierfür notwendige Technik in Form des von ihr entwickelten 2D-Arzneimitteldruckers „DiHeSys Flexdose Printer“ zur Verfügung. „Die Vision von DiHeSys ist, ein komplettes System für den individuellen, personalisierten 2D- und 3D-Druck von Medikamenten zu liefern,“ sagt DiHeSys-Geschäftsführer Prof. Dr. Christian Franken. „Das umfasst nicht nur die Drucker selbst, sondern das gesamte System aus wirkstoffhaltigen Tinten sowie die Software.“