Indywidualne leki za pomocą druku 3D

System rozwinięty w ramach projektu HME 3D składający się z stołu drukującego (po lewej) i ekstrudera (po prawej). (Zdjęcie: Heike Fischer / TH Köln)

Ekstruder do topienia topi i miesza polimery oraz substancje czynne medyczne. (Zdjęcie: Heike Fischer / TH Köln

Wytłaczarka z dozownikiem (po prawej) oraz system drukowania HME (po lewej). (Zdjęcie: Heike Fischer / TH Köln)

Głowica drukująca może produkować do 160 tabletek na godzinę, przy czym można drukować zarówno polimery, jak i lipidy. (Zdjęcie: Heike Fischer / TH Köln)

Oprócz polimerów można również tłoczyć lipidy. (Zdjęcie: Heike Fischer / TH Köln)

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

3D-drukowane leki mogą być bardzo precyzyjnie dostosowane do konkretnego obrazu choroby, co poprawia ich skuteczność i zmniejsza skutki uboczne. Aby uczynić tę technologię bardziej praktyczną, TH Köln i Uniwersytet Heinrich-Heine w Düsseldorfie opracowały w projekcie HME 3D nową metodę druku. Dzięki niej można drukować więcej substancji czynnych i materiałów nośnikowych.

W najczęściej używanej technologii druku 3D termoplastik jest topiony i formowany w długie włókna, tzw. filamenty. Drukarka 3D ponownie je topi i formuje z nich końcowy produkt. „Jeśli w takim procesie używa się polimerów farmaceutycznych i są one podwójnie podgrzewane, szkodzi to zawartym w nich substancjom leczniczym. Ponadto filamenty z polimerów farmaceutycznych często są zbyt miękkie lub kruche i nie można ich niezawodnie drukować. Dlatego opracowaliśmy proces, w którym plastik jest drukowany bezpośrednio, bez uprzedniego tworzenia filamentów”, wyjaśnia Ines Haase z Instytutu Rozwoju Produktów i Technik Konstrukcyjnych na TH Köln.

„Naszym głównym obszarem zastosowania jest pediatria. Ze względu na szybki wzrost małych dzieci i niemowląt, dawki leków powinny być dostosowywane w bardzo małych krokach. Na rynku nie ma takiego rozwiązania. Gdy lekarze obliczają potrzebną dawkę, możemy wydrukować lek dokładnie na receptę”, dodaje prof. dr Julian Quodbach, który kierował projektem w Instytucie Technologii Farmaceutycznej i Biopharmacji na Uniwersytecie Heinrich-Heine w Düsseldorfie (HHU) i obecnie jest profesorem na Uniwersytecie w Utrechcie. Technologia ta może znaleźć zastosowanie również w medycynie precyzyjnej, gdzie leki są dawkowane dokładnie do pacjenta. Możliwe są partie od jednej do kilku tysięcy tabletek.

Nowa metoda druku

Zespół z Laboratorium Systemów Produkcyjnych na TH Köln opracowuje nowatorską metodę druku. Punkt wyjścia stanowi ekstruder do topienia, który topi i miesza polimery oraz substancje czynne. Ten materiał jest transportowany do głowicy drukującej i formowany w tabletki. „Ekstruzja topienia to proces ciągły – zawsze wychodzi z maszyny ta sama ilość materiału. Natomiast druk 3D jest procesem nieciągłym, ponieważ po każdej tabletce druk musi zostać przerwany”, wyjaśnia Haase. Aby rozwiązać ten problem, zespół dodał bufor, który w trakcie procesu napełnia się nadmiarem materiału.

Kolejnym wyzwaniem jest fakt, że ekstrudowanie topienia odbywa się poziomo, podczas gdy drukuje się pionowo. Dlatego konieczne jest przekierowanie stopionej masy. „Używane materiały farmaceutyczne są bardzo wrażliwe. Musieliśmy zapewnić, że przekierowanie nie wpłynie negatywnie na jakość topnienia. Jednocześnie technologia musi być prosta, ponieważ zgodnie z wytycznymi „Dobrej Praktyki Wytwarzania” (GMP) dla urządzeń w produkcji farmaceutycznej, musi być łatwa do demontażu i czyszczenia po każdym procesie ekstruzji”, mówi Haase. W trakcie projektu powstał prototyp, który został przetestowany na HHU.

Nowe materiały

Farmaceuci z HHU równocześnie zajmowali się rozwojem materiałów do druku. „Nowa technologia umożliwiła nam rozważanie znacznie szerszej gamy materiałów nośnikowych i substancji czynnych. Ponieważ obróbka materiału jest łagodniejsza, można przetwarzać także bardziej wrażliwe substancje. Dodatkowo możliwe jest użycie lipidów, czyli tłuszczów, jako materiałów nośnikowych. To znacznie poszerza zakres potencjalnych substancji leczniczych, ponieważ wiele interesujących kandydatów na substancje czynne nie może być przetwarzanych w polimerach”, mówi Arne Schulzen, doktorant w Instytucie Technologii Farmaceutycznej i Biopharmacji na HHU.

Aby wyprodukować polimery i lipidy o potrzebnych właściwościach, zespół HHU przeprowadził szerokie badania rozwojowe i testowe. „Wymagania wobec tych substancji są bardzo wysokie: z jednej strony muszą dobrze rozprowadzać się w nich substancje lecznicze, a z drugiej muszą dobrze funkcjonować podczas procesu druku, zapewniając równomierne podawanie. Trzeba uwzględnić parametry takie jak temperatura w ekstruderze”, wyjaśnia Quodbach. W kolejnym kroku można również przetestować druk z wosków, aby jeszcze bardziej poszerzyć możliwości produkcji.

Projekt „HME 3D – Druk 3D form farmaceutycznych metodą ekstruzji topienia” był finansowany w ramach programu „Wspólne badania przemysłowe” (IGF) Ministerstwa Gospodarki i Klimatu Niemiec. Program ten wspiera m.in. badania podstawowe z naciskiem na zastosowania przemysłowe lub komercyjne.