Medicinali personalizzati tramite stampa 3D

Il sistema sviluppato nel progetto HME 3D composto da tavolo di stampa (a sinistra) e estrusore (a destra). (Immagine: Heike Fischer / TH Köln)

L'estrusore di fusione fonde e mescola polimeri e principi attivi medici. (Immagine: Heike Fischer / TH Colonia)

Barilotto dell'estrusore con dosatore (a destra) e sistema di stampa HME (a sinistra). (Immagine: Heike Fischer / TH Colonia)

La testina di stampa può produrre fino a 160 compresse all'ora, con la possibilità di stampare sia polimeri che lipidi. (Immagine: Heike Fischer / TH Colonia)

Oltre ai polimeri, anche i lipidi possono essere stampati. (Immagine: Heike Fischer / TH Colonia)

Compresse create nel progetto. (Immagine: Heike Fischer/TH Köln)

I farmaci stampati in 3D possono essere personalizzati con grande precisione in base alla specifica patologia, migliorando così l'efficacia e riducendo gli effetti collaterali. Per rendere questa tecnologia più praticabile, il TH Köln e l'Università Heinrich-Heine di Düsseldorf hanno sviluppato nel progetto HME 3D un nuovo metodo di stampa. Grazie a questo, è possibile stampare più principi attivi e materiali di supporto.

La tecnologia di stampa 3D più comunemente usata prevede la fusione di plastica e la sua formatura in filamenti lunghi, detti filamenti. La stampante 3D riscalda nuovamente questi filamenti e li modella nel prodotto finale. «Se in un processo del genere vengono utilizzati e riscaldati due volte i polimeri farmaceutici, ciò danneggia i principi attivi medicinali in essi contenuti. Inoltre, i filamenti di polimeri farmaceutici sono spesso troppo morbidi o fragili e non si stampano in modo affidabile. Per questo abbiamo sviluppato un processo in cui il plastico viene stampato direttamente, senza prima produrre un filamento», spiega Ines Haase dell'Istituto per lo Sviluppo del Prodotto e la Tecnica di Costruzione del TH Köln.

«Il nostro campo di applicazione è soprattutto la pediatria. A causa della rapida crescita di neonati e bambini, le dosi di farmaci dovrebbero essere adattate in passaggi molto piccoli. Questa esigenza non è ancora rappresentata sul mercato. Quando i medici calcolano la dose necessaria, potremmo stampare il farmaco esattamente su prescrizione», aggiunge il Prof. Dr. Julian Quodbach, che ha guidato il progetto presso l'Istituto di Tecnologia Farmaceutica e Biopharmazia dell'Università Heinrich-Heine di Düsseldorf (HHU) e ora è professore all'Università di Utrecht. Il metodo può essere applicato anche in medicina di precisione, che dosi i principi attivi in modo personalizzato. Sono possibili lotti tra una e diverse migliaia di compresse.

Nuovo metodo di stampa

Un team del Laboratorio di Sistemi di Produzione del TH Köln sta sviluppando un nuovo metodo di stampa. Il punto di partenza è un estrusore a fusione che riscalda e mescola polimeri e principi attivi. Questo materiale viene trasportato nel testina di stampa e modellato in compresse. «L'estrusione a fusione è un processo continuo – cioè, la stessa quantità di materiale esce sempre dalla macchina. La stampa 3D, invece, è un processo discontinuo, perché dopo ogni compressa la stampa deve essere interrotta», spiega Haase. Per risolvere questo problema, il team ha aggiunto un serbatoio di accumulo che si riempie di materiale in eccesso durante il processo.

Un'altra sfida: l'estrusione a fusione avviene in orizzontale, mentre la stampa avviene in verticale. Pertanto, il materiale fuso deve essere deviato. «I materiali farmaceutici utilizzati sono molto sensibili. Dovevamo assicurarci che la deviazione non avesse effetti negativi sulla qualità della fusione. Tuttavia, la tecnologia deve rimanere semplice, perché, secondo le norme di 'Good Manufacturing Practice' per gli impianti di produzione farmaceutica, deve essere facile da smontare e pulire dopo ogni processo di estrusione», afferma Haase. Nel corso del progetto è stato realizzato un prototipo testato presso l'HHU.

Nuovi materiali

I farmacisti dell'HHU avevano parallelamente lavorato allo sviluppo dei materiali da stampare. «La nuova tecnologia ci ha permesso di considerare una gamma molto più ampia di materiali di supporto e principi attivi. Perché un trattamento più delicato del materiale consente di lavorare anche principi attivi più sensibili. Inoltre, è possibile usare lipidi, cioè sostanze grasse, come materiali di supporto. Questo amplia notevolmente il campo dei principi attivi utilizzabili, poiché molti candidati interessanti non possono essere lavorati con i polimeri», spiega Arne Schulzen, dottorando presso l'Istituto di Tecnologia Farmaceutica e Biopharmazia dell'HHU.

Per produrre polimeri e lipidi con le proprietà necessarie, il team dell'HHU ha condotto ampie serie di sviluppo e test. «Le richieste sui materiali sono molto esigenti: da un lato, i principi attivi devono distribuirsi bene al loro interno. Dall'altro, devono funzionare bene nel processo di stampa per garantire un'alimentazione uniforme. Per questo, bisogna considerare parametri come la temperatura nell'estrusore», spiega Quodbach. In una fase successiva, si potrà sperimentare anche la stampa di cere, per ampliare ulteriormente le possibilità di produzione.

Il progetto «HME 3D – Stampa 3D di forme farmaceutiche mediante estrusione a fusione» è stato finanziato dal programma «Ricerca industriale collaborativa» (IGF) del Ministero federale dell'Economia e della Protezione del Clima. Con questo programma, il ministero sostiene, tra l'altro, la ricerca di base con un focus su applicazioni industriali o commerciali.