3D-Druck: Arzneimittel zur Inhalation

Berlin -

Inhalationsmedikamente werden zur Behandlung von Atemwegserkrankungen, beispielsweise COPD und Asthma, verwendet. Wirkstoffe wie beispielsweise Kortison werden dabei an gut fließende Trägerstoffe adhäriert. Die Form dieser Partikel entscheidet maßgeblich über die Wirkung. Forschende der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben mithilfe eines hochpräzisen 3D-Druckverfahrens Trägerpartikel hergestellt, die die Freisetzung des Wirkstoffs entscheidend verbessern könnten.

Pulvermischungen für die Inhalation bestehen meist aus großen und fließfähigen Trägerpartikeln, an denen der Arzneistoff haftet. Wie effizient die Wirkstoffe in die Lunge transportiert werden, hängt stark von der Form der Trägerstoffe ab. Forschende haben nun per 3D-Druck winzige Trägerpartikel mit einer definierten Geometrie hergestellt, die die Wirkung maßgeblich verbessern können. Die Ergebnisse der Studie „Geometry matters: influence of particle shape on model carrier performance for inhalation powders” wurden in der Fachzeitschrift Communications Materials veröffentlicht.

„Damit der Wirkstoff wirken kann, muss er sich beim Einatmen vom Träger lösen und mit der Atemluft in die Lunge gelangen“, erklärt Erstautor Melvin Wostry, Apotheker und Doktorand an der Universität Kiel. „Bleibt er haften, wird er einfach heruntergeschluckt und erreicht sein Ziel nicht.“

Präzise Anfertigung

Das Team um Professorin Regina Scherließ, Leiterin des Instituts für Pharmazeutische Technologie und Biopharmazie an der Universität Kiel, hat erstmals Millionen solcher Partikel mit exakt definierter Geometrie in Serie gefertigt und damit den Einfluss der Form auf die Freisetzung systematisch untersucht. Die Grundlage dafür bildete ein innovatives 3D-Druckverfahren: die sogenannte Zwei-Photonen-Polymerisation, bei der ein Laser winzige Stellen im Material aktiviert, die sofort aushärten. Mit einer Auflösung im Nanometerbereich können so extrem präzise Strukturen erzeugt werden.

Auf diese Weise produzierten die Forschenden für insgesamt vier getestete Designs mehr als zwei Millionen identische Partikel. Für eine dieser Geometrien fertigten sie zusätzlich drei Varianten mit unterschiedlich starker Oberflächenrauheit – von fein bis grob. Anschließend mischten die Forschenden die Partikel – wie bei echten Inhalationspräparaten – mit einem Modellwirkstoff.

Pharmacone ist Gewinner

Die Tests machten deutlich: Die Geometrie bestimmte maßgeblich, wie viel Wirkstoff beim Inhalieren freigesetzt wurde. „Eine Form, die wir ‚Pharmacone‘ nennen, war der klare Gewinner. Sie erinnert in ihrer Form an einen kleinen Stern, mit mehreren Spitzen an der Oberfläche“, erklärt Scherließ. „Die Feinpartikelfraktion – also der Anteil des Wirkstoffs in der lungengängigen Größe unter fünf Mikrometern – war bei dieser Geometrie viermal so hoch wie bei der nächstbesten Variante.“

Die Forschenden führen den Erfolg darauf zurück, dass die sternförmigen Spitzen der Pharmacone-Partikel zu häufigeren Kollisionen und Rotationen führen, wodurch sich der Wirkstoff leichter ablöst. Überraschend war hingegen: „Die getestete Rauheit der Oberfläche hatte keinen messbaren Einfluss auf die Freisetzung.“

Noch handelt es sich bei den winzigen Partikeln um reine Modellträger für die Grundlagenforschung, sie sind demnach noch nicht für die direkte Anwendung beim Menschen geeignet. Das Potenzial für die Zukunft ist laut den Forschenden jedoch groß: Präzise 3D-gedruckte Strukturen könnten künftig als bioabbaubare Träger direkt in Pulverinhalatoren eingesetzt werden.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass sich mit modernen Technologien wie dem hochauflösenden 3D-Druck völlig neue Wege in der pharmazeutischen Entwicklung eröffnen“, sagt Scherließ. „Wir können das Verhalten von Medikamenten nun gezielt durch Design beeinflussen – eine Art Feintuning auf Mikrometer-Ebene.“