Das Potenzial 3D-gedruckter Gradientenwerkstoffe für pharmazeutische Applikationen

Das Potenzial, welches der 3D-Druck im Tissue Engineering für Weichteilgewebe und Knochenersatz hinsichtlich Formgebung und Materialanpassung bietet, wird zunehmend genutzt, weiterentwickelt und ausgebaut. Die Diversität der dabei betrachteten, biologisch aktiven Biomaterialien setzt voraus, dass unterschiedliche Technologien wie Stereolithographie (STL), Fused Deposition Modelling (FDM), Selektives Lasersintern (SLS) in verschiedenen Ausbaustufen zum Einsatz kommen. In medizinischen Anwendungen und besonders im pharmazeutischen Bereich, sind neben den drei räumlichen Dimensionen zusätzlich weitere Dimensionen hinsichtlich der Produkteigenschaften interessant. Einerseits besteht diese Mehrdimensionalität aus strukturellen und geometrischen Gradienten (An, Teoh, Suntornnond & Chua, 2015; Jones et al., 2007; Neri Oxman, Steven Keating & Elizabeth Tsai, 2012). Zusätzlich sind aber auch stoffliche Abstufungen der prozentualen Anteile wichtig. Das betrifft beispielsweise die Einbringung von Wirkstoffen in die generativ aufgebauten Strukturen (Goole & Amighi, 2016; Kalaskar, 2017; Ursan, Chiu & Pierce, 2013). Meist werden dabei scharf abgegrenzte Abstufungen der Materialeigenschaften gezeigt. Dies erfolgt im 3D-Druck beispielsweise durch die Nutzung unterschiedlicher Dosierköpfe in einem Prozess für die jeweiligen Materialien/Materialabstufungen oder durch die getrennte Herstellung der einzelnen Bereiche und anschließendem Fügen der Scaffolds (Diaz-Gomez et al., 2019). Ein allmählich ansteigender/abflachender gradueller Verlauf des zugemischten Anteils (Wirkstoff/Marker) wird bisher nicht beschrieben. Gelingt eine Regelung der Wirkstoffzumischung während des generativen Prozesses, entstehen neue Freiheitsgrade in der Gestaltung der Eigenschaften, wie beispielsweise der pharmazeutischen Wirksamkeit der Produkte. Im biomedizinischen Kontext sind durch Gradientengestaltung innerhalb eines Implantates, unterschiedliche Wirkstoffkonzentrationen oder funktionelle Parameter, wie Festigkeit, Verformbarkeit oder Reaktivität einstellbar. Bei der Zumischung innerhalb des 3D-Drucks ist auch der Einsatz solcher Wirkstoffe denkbar, die bei konventionellen Herstellungsprozessen herausgelöst oder zersetzt würden. Innerhalb der interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen der Pharmazeutischen Technologie (Institut für Pharmazie, Medizinische Fakultät) der Universität Leipzig und der Fakultät Maschinenbau und Energietechnik (Maschinenbautechnisches Institut) an der HTWK Leipzig wurde ein miniaturisierter Doppelschneckenextruder (DSE-DK) als Dosierkopf in eine 3D-Druckanlage integriert. Mit der auf dem FDM-Verfahren basierenden Technologie konnte bereits nachgewiesen werden, dass Polymere wie Polycaprolacton (PCL) verarbeitet und mit zugemischten Pulvern homogenisiert werden können (Flath et al., 2016). Es wurden innerhalb eines 3D-Druckprozesses Materialmischungen aus einer aufgeschmolzenen Polymerphase und einem zugeführten Pulver erzeugt. In diesem Aufbau konnten alle Materialien als Pulver zugeführt und dosiert werden. Ziel der hier betrachteten Arbeiten war es, den DSE-DK für pastöse Ausgangsstoffe zur Erweiterung des Einsatzspektrums nutzbar zu machen. Zusätzlich sollten Pasten/Pulver Mischungen und die Möglichkeit der Herstellung von graduellen Zusatzstoffkonzentrationen während der dreidimensionalen Verarbeitung untersucht werden. [... aus der Einleitung