Medicatie op maat gemaakt met 3D-printen

Het in het HME 3D-project ontwikkelde systeem bestaande uit een druktafel (links) en een extruder (rechts). (Afbeelding: Heike Fischer / TH Köln)

De smeltextruder smelt en mengt polymeren en medische werkzame stoffen. (Afbeelding: Heike Fischer / TH Köln

Extrusiekoker met doseerunit (rechts) en HME-druksysteem (links). (Afbeelding: Heike Fischer / TH Köln)

De printkop kan tot 160 tabletten per uur produceren, waarbij naast polymeren ook lipiden kunnen worden gedrukt. (Afbeelding: Heike Fischer / TH Köln)

Naast polymeren kunnen ook lipiden worden gedrukt. (Afbeelding: Heike Fischer / TH Köln)

Tabletten die im Projekt entstanden sind. (Bild: Heike Fischer/TH Köln)

3D-geprinte medicijnen kunnen zeer nauwkeurig op het betreffende ziektebeeld worden afgestemd, wat de werking verbetert en bijwerkingen vermindert. Om de technologie praktischer toepasbaar te maken, hebben de TH Köln en de Heinrich-Heine-Universiteit Düsseldorf in het project HME 3D een nieuwe druktechniek ontwikkeld. Hierdoor kunnen meer werkzame stoffen en dragermaterialen worden geprint.

Bij de meest gebruikte 3D-druktechnologie wordt kunststof gesmolten en tot lange draden gevormd, de zogenaamde filamenten. De 3D-printer smelt deze opnieuw en vormt daaruit het eindproduct. “Wanneer in zo’n proces farmaceutische polymeren worden gebruikt en twee keer worden verhit, schaadt dat de daarin aanwezige medische werkzame stoffen. Bovendien zijn filamenten van farmaceutisch polymeer vaak te zacht of te bros en kunnen ze niet betrouwbaar worden geprint. Daarom hebben wij een proces ontwikkeld waarbij het kunststof direct wordt geprint, zonder dat eerst een filament wordt gemaakt,” legt Ines Haase uit van het Instituut voor Productontwikkeling en Constructietechniek van de TH Köln.

“Ons toepassingsgebied is vooral de pediatrie. Vanwege de snelle groei van jonge kinderen en peuters zouden de medicatiedoseringen eigenlijk in zeer kleine stappen moeten worden aangepast. Dit wordt op de markt zo niet mogelijk gemaakt. Als de behandelend artsen de benodigde dosis berekenen, kunnen wij het medicijn op recept precies printen,” voegt Prof. Dr. Julian Quodbach toe, die het project aan het Instituut voor Farmaceutische Technologie en Biopharmazie van de Heinrich-Heine-Universiteit Düsseldorf (HHU) leidde en nu professor is aan de Universiteit Utrecht. Ook in de precisiegeneeskunde, waarbij geneesmiddelen patiëntspecifiek worden gedoseerd, kan de techniek worden toegepast. Mogelijke batchgroottes variëren tussen één en enkele duizenden tabletten.

Nieuwe druktechniek

Een team van het Laboratorium voor Fabricagesystemen van de TH Köln ontwikkelt hiervoor een nieuwe druktechniek. De uitgangspositie is een smeltextruder, die polymeren en werkzame stoffen smelt en mengt. Dit materiaal wordt naar de printkop getransporteerd en tot tabletten gevormd. “De smeltextrusie is een continu proces – er komt dus altijd dezelfde hoeveelheid materiaal uit de machine. De 3D-prints daarentegen is een discontinu proces, want na elke tablet moet het printproces worden onderbroken,” legt Haase uit. Om dit probleem op te lossen, heeft het team een buffertank toegevoegd die zich tijdens het proces vult met overtollig materiaal.

Een andere uitdaging: de smeltextrusie verloopt horizontaal; geprint wordt echter verticaal. Daarom moet de gesmolten massa worden omgeleid. “De gebruikte farmaceutische materialen zijn zeer gevoelig. We moesten ervoor zorgen dat de omleiding geen negatieve invloed heeft op de kwaliteit van de smeltextractie. Tegelijkertijd moet de gebruikte techniek eenvoudig blijven, omdat deze volgens de ‘Good Manufacturing Practice’-richtlijnen voor apparatuur in de farmaceutische productie na elk extrusieproces eenvoudig moet kunnen worden gedemonteerd en gereinigd,” zegt Haase. Tijdens het project is een prototype ontwikkeld dat aan de HHU werd getest.

Nieuwe materialen

De farmaceutici van de HHU waren zich parallel aan de ontwikkeling van de te printen materialen gaan bezighouden. “De nieuwe technologie heeft ons in staat gesteld om te denken over een veel breder scala aan dragermaterialen en werkzame stoffen. Want de zachtere omgang met het materiaal maakt het mogelijk om ook gevoelige werkzame stoffen te verwerken. Daarnaast is het mogelijk om ook lipiden, dat wil zeggen vetstoffen, als drager te gebruiken. Daarmee verbreden we het veld van mogelijke geneesmiddelen aanzienlijk, want een hele reeks interessante werkzame stoffen kan niet in polymeren worden verwerkt,” aldus Arne Schulzen, promovendi aan het Instituut voor Farmaceutische Technologie en Biopharmazie van de HHU.

Om polymeren en lipiden met de benodigde eigenschappen te produceren, heeft het team van de HHU uitgebreide ontwikkelings- en testreeksen uitgevoerd. “De eisen aan de stoffen zijn zeer uitgebreid: enerzijds moeten de medische werkzame stoffen zich goed in de stoffen kunnen verdelen. Anderzijds moeten ze tijdens het printproces goed functioneren, zodat we een gelijkmatige toevoer krijgen. Daarbij moeten parameters zoals de temperatuur in de extruder in de gaten worden gehouden,” legt Quodbach uit. In een volgende stap kan ook het printen van wassen worden getest om nog meer mogelijkheden in de productie te verkrijgen.

Het project ‘HME 3D – 3D-printen van farmaceutische toedieningsvormen via smeltextrusie’ werd gefinancierd via het programma ‘Industriële Gemeenschapsonderzoek’ (IGF) van het Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz. Met dit programma ondersteunt het ministerie onder andere fundamenteel onderzoek met focus op industriële of commerciële toepassingsgebieden.