Gruppe für künstliche Intelligenz nutzt neue Strategie zur Entwicklung 3D-gedruckter Pillen

Ein Team von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Informatik in Saarbrücken und der University of California in Davis hat ein neuartiges Verfahren für den 3D-Druck von Pillen entwickelt, das Arzneimittel mit vorgegebenen Geschwindigkeiten freisetzen kann.

Der Leiter der Forschungsgruppe gab der 3D-Druckindustrie Einblicke in die Auswirkungen der Technik.

In einer kürzlich veröffentlichten Forschungsarbeit unter der Leitung von Dr. Vahid Babaei vom Max-Planck-Institut und Prof. Julian Panetta von der UC Davis demonstrierte das Team, wie Pillen mit bestimmten Formen in 3D gedruckt werden können, um die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der sie sich im menschlichen Körper auflösen .

Geometrische Formen sind leichter zu kontrollieren als alternative Methoden zur zeitgesteuerten Medikamentenverabreichung wie die intravenöse Infusion. Angesichts der Bedeutung der Kontrolle des Arzneimittelspiegels bei Patienten wird daher behauptet, dass diese neue Methode ein erhebliches Potenzial in der Pharmaindustrie hat. Über die Pharmazeutik hinaus werden auch die Herstellung katalytischer Körper und grobkörniger Düngemittel als potenzielle Anwendungen genannt.

„Ich bin davon überzeugt, dass die Point-of-Care- und personalisierte Medizin vor der Tür steht und der 3D-Druck eine wichtige Rolle spielen wird“, kommentierte Dr. Babaei, Forschungsgruppenleiter der Gruppe „Artificial Intelligence-Aided Design and Manufacturing“ am Max-Planck-Institut für Informatik .

Eine erste Forschung zur inversen Designstrategie

Beim Testen und Bewerten dieses neuen Prozesses kombinierten die Forscher fortschrittliche Rechenmethoden, mathematische Modellierung und FDM-basierte 3D-Drucktechnologie.

Das Forschungsteam führte Simulationen der mit Topologieoptimierung entwickelten Designs durch. Dann wurden die Vorwärtssimulationen invertiert, um eine spezifische Form zu finden, die bestimmte Auflösungseigenschaften aufweist. Praktische Experimente bestätigten dann diese Vorhersagen bezüglich der Auflösung. Das Forschungsteam gibt an, dass es das erste Unternehmen ist, das eine inverse Designstrategie verwendet, um anhand der Topologieoptimierung die gewünschte Form aus dem Freigabeverhalten zu ermitteln.

Bei der Durchführung der Experimente druckten die Forscher zunächst die gewünschten Komponenten in 3D mit einem Prusa i3 MK3s FDM 3D-Drucker, der mit einer 0,2-mm-Kaika-Düse von Tecdia Co. ausgestattet war. Dabei handelte es sich um AquaSys 120 von Infinite Materials Solutions, ein wasserlösliches Filament, das typischerweise für Stützstrukturen verwendet wird auch genutzt.

Nach dem Drucken wurden die Teile in destilliertes Wasser gelegt. Anschließend wurde mit einem Kamerasystem die Geschwindigkeit gemessen, mit der sich die Stücke auflösten. Während zur Messung der Auflösungsraten häufig alternative, kostenintensive und spezielle Geräte verwendet werden, wurde hier ein bildbasiertes System eingesetzt, da es für die Wissenschaftler viel schneller und einfacher einzurichten war.

Letztendlich lagen die gemessenen Freisetzungskurven sehr nahe an den gewünschten Werten. Dies bestätigte die Vorhersagen der inversen Designstrategie und bestätigte, dass spezifische Formen verwendet werden können, um spezifische Freisetzungsraten für Arzneimittel zu bestimmen.

Obwohl das Forschungsteam den gesamten adressierbaren Markt für diese neue Pillenproduktionsmethode noch nicht quantifiziert hat, hat es seine Arbeit patentieren lassen. Dr. Babaei erklärt: „Unserer Gruppe liegt die Umsetzung unserer Forschung in die Praxis sehr am Herzen.“ Tatsächlich hat das Team bereits ein Spin-off-Projekt für die Laserindustrie namens Oraclase gestartet.

Pharmazeutische Anwendungen für den 3D-Druck

Der Einsatz der 3D-Drucktechnologie für pharmazeutische Anwendungen hat eine lange Geschichte. Im Jahr 2016 gab Aprecia Pharmaceuticals die Zulassung seines Spritam-Medikaments durch die US-amerikanische Food and Drug Administration bekannt – das erste 3D-gedruckte Arzneimittel, das den FDA-Prozess abgeschlossen hat. Spritam wurde zur Behandlung einer Reihe von Anfällen entwickelt und wird als sofort lösliche Tablette in 3D gedruckt, wodurch das Medikament für Patienten zugänglicher wird, die andernfalls Schwierigkeiten beim Schlucken einer Pille hätten.

Trotz einiger Ähnlichkeiten gibt es sicherlich klare Unterschiede zwischen dem Angebot von Aprecia und diesem neuen formorientierten Verfahren. „Soweit ich weiß, verfügt Spritam über einen einzigen Auflösungsmodus – einen schnellen, sofortigen“, kommentierte Dr. Babaei. „In unserem Fall lassen wir den Benutzer praktisch jedes Freisetzungsprofil zeichnen (schnell oder anders) und berechnen dann die Form entsprechend.“

An anderer Stelle nutzte im Jahr 2020 ein Forschungsteam aus Griechenland und Italien den halbfesten Extrusions-3D-Druck, um Tabletten zu bearbeiten und so anpassbare und patientenspezifische Medikamentenfreisetzungsraten zu ermöglichen. Anstatt die Pillen in 3D zu drucken, verwendeten die Wissenschaftler hier die 3D-Drucktechnologie, um die Tabletten teilweise mit Glyceriden zu beschichten. Durch die Steuerung der Beschichtungseigenschaften gelang es den Forschern, die Freisetzung zweier aktiver pharmazeutischer Inhaltsstoffe (APIs) innerhalb der Tabletten präzise zu regulieren. Laut den Autoren der Studie ermöglichte dies „personalisierte Arzneimittelfreisetzungsraten entsprechend den Bedürfnissen des Patienten“.

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Alex ist Technologiejournalist bei 3D Printing Industry und recherchiert und schreibt gerne Artikel zu einer Vielzahl von Themen. Er besitzt einen BA in Militärgeschichte und einen MA in Kriegsgeschichte und hat ein großes Interesse an additiven Fertigungsanwendungen in der Verteidigungs- und Luft- und Raumfahrtindustrie.