Technologia powierzchniowa i technologia procesów farmaceutycznych – nad czym wspólnie pracuje Fraunhofer IST z PVZ Uniwersytetu Technicznego Braunschweig?

Znaczek tabletkowy pokryty warstwą antyadhezyjną DLC SICON® do produkcji tabletek musujących bez środków poślizgowych: zapobieganie przywieraniu materiału prasowanego oraz ochrona przed zużyciem. © Fraunhofer IST, Rainer i Natalie Meier

Przykład tabletkowego stempla z wymiennym końcówką. © Fraunhofer IST / Example of a tablet stamp with removable tip. © Fraunhofer IST

Funkionalizacja substancji czynnych i pomocniczych za pomocą procesów plazmowych w celu zoptymalizowanej produkcji spersonalizowanych produktów farmaceutycznych. © Fraunhofer IST, Falko Oldenburg / Functionalization of active ingredients and excipients by means of plasma processes for the optimized production of individualized pharmaceutical products. © Fraunhofer IST, Falko Oldenburg

W produkcji leków odgrywa kluczową rolę interakcja cząstek z powierzchniami. To, czy te cząstki – czy to w postaci substancji czynnych, czy granulatu – przylegają lub łatwo się odłączają, zależy od właściwości zaangażowanych powierzchni. W zależności od produktu i procesu, konkretne wymagania podczas produkcji i późniejszego stosowania różnych leków mogą się różnić: silna adhezja może na przykład być ważna przy formułowaniu stabilnych postaci leku, podczas gdy w innych przypadkach kluczowe jest zapobieganie osadzaniu się, aby uniknąć kosztownych kroków czyszczenia.

Dzisiejszym rozmówcami są Dr Kristina Lachmann, kierowniczka działu „Technika medyczna i systemy farmaceutyczne” w Fraunhofer IST oraz Dr Jan Henrik Finke, pracownik Fraunhofer IST i kierownik działu „Technika farmaceutyków i bioparcele” w Centrum Technologii Procesów Farmaceutycznych na TU Braunschweig, którzy opowiadają o zastosowaniu technologii powierzchniowych w produkcji leków. Na przykładach pokazują, jak innowacyjne powłoki mogą optymalizować procesy produkcyjne.

Droga Kristino, drogi Janie, w jakich obszarach procesu produkcji leków odgrywa rolę technologia powierzchni?

Kristina: Technologia powierzchni odgrywa ważną rolę na niemal każdym etapie produkcji leków – od syntezy substancji czynnej, przez produkcję postaci leku, aż po pakowanie i stosowanie przez pacjentów. Oznacza to, że interakcja farmaceutycznych cząstek z powierzchniami, z którymi mają kontakt podczas syntezy, formulacji lub aplikacji, musi być dokładnie scharakteryzowana i dostosowana za pomocą technologii powierzchni. W Fraunhofer IST współpracujemy z naszymi partnerami na każdym z tych etapów i oferujemy kompleksowe usługi: od doradztwa, przez charakteryzację, aż po rozwój powłok. Przykładem są procesy tabletkowania: w zakresie powlekania stempli tabletkarskich posiadamy wieloletnie doświadczenie i współpracę z przemysłem farmaceutycznym.

Za pomocą technologii powierzchni można więc regulować właściwości adhezji. Czy moglibyście to wyjaśnić na przykładzie stempli tabletkarskich?

Jan: Podczas produkcji tabletek substancja czynna najpierw występuje zwykle w postaci proszku i musi być na przykład sprasowana w formę za pomocą stempli tabletkarskich. Szczególnie ważne jest, aby nie dochodziło do niepożądanego przylegania proszku do stempli, zwanego „stickingen”, ponieważ oprócz wyższych kosztów czyszczenia i strat w wydajności produktu, może to – co jest znacznie bardziej krytyczne dla pacjenta – spowodować, że dawka nie będzie się zgadzać. Szczególnie nowe substancje czynne często stanowią wyzwanie, jeśli chodzi o ustawienie odpowiedniej dawki w końcowym produkcie, czyli w tabletce. Obecnie zespół Fraunhofer IST pracuje nad pogłębieniem naukowego zrozumienia interakcji cząstek z powierzchniami. Celem jest oferowanie dostosowanych powłok na stemple, które pozwolą na precyzyjne sterowanie siłami interakcji, aby bezpośrednio poprawić efektywność i stabilność procesów produkcyjnych.

Oprócz sterowania adhezją, które jest regulowane przez właściwości fizykochemiczne powłoki, w zależności od produktu i procesu często wymagane są inne właściwości powierzchni, np. odporność na zużycie, które można precyzyjnie ustawić za pomocą dostępnych w Fraunhofer IST systemów powłok, technologii i wiedzy eksperckiej.

Projekt dotyczący sterowania adhezją w procesie tabletkowania jest przykładem współpracy między Fraunhofer IST a Centrum Technologii Procesów Farmaceutycznych na TU Braunschweig – kto tak naprawdę wykonuje co?

Kristina: W Fraunhofer IST posiadamy wieloletnią wiedzę w zakresie nanoszenia cienkich, odporne na zużycie powłok i od wielu lat współpracujemy z różnymi producentami z przemysłu farmaceutycznego. Współpraca z PVZ umożliwia nam badanie naszych powłok w warunkach przemysłowych i systematyczny rozwój, aby móc zaoferować najlepsze rozwiązania dla danej kwestii. W Fraunhofer IST skupiamy się na powłokach, rozwijamy istniejące systemy lub korzystamy z zupełnie nowych materiałów. Przy tym kładziemy nacisk na przemysłową wykonalność procesu i charakteryzację właściwości warstw – zarówno w zależności od warunków procesu nanoszenia, jak i w zastosowaniu w łańcuchu produkcyjnym farmaceutyków.

Jan: W Centrum Technologii Procesów Farmaceutycznych, jak sama nazwa wskazuje, posiadamy infrastrukturę i wiedzę do analizy procesów farmaceutycznych, takich jak produkcja substancji czynnych i postaci leku. Nasza współpraca z Fraunhofer IST stanowi doskonałe uzupełnienie, ponieważ możemy testować powleczone powierzchnie w warunkach rzeczywistych. Powoduje to ścisły kontakt nauki o materiałach i rozwoju procesów, co pozwala na opracowanie nowych, praktycznych rozwiązań dla przemysłu.

Jakie są już wyniki?

Jan: Nasza wiedza na temat sterowania adhezją w procesie tabletkowania może być przeniesiona na inne procesy. Obecnie współpracujemy z partnerami przemysłowymi nad rozdrobnieniem cząstek substancji czynnych i technologiami napełniania kapsułek. W innym projekcie dotyczącym terapii inhalacyjnej udało nam się pokazać, że nasze powłoki mogą zmniejszyć osadzanie się cząstek na powierzchni inhalatorów nawet o 80 %. To znacznie zwiększa bezpieczeństwo stosowania wyrobów medycznych i skuteczność wykorzystania dawek substancji czynnych.

Jakie macie życzenia na przyszłość, aby kontynuować współpracę z sukcesem?

Kristina: Mamy jeszcze wiele pomysłów na przyszłe projekty lub tematy, które chcemy badać i ulepszać za pomocą technologii powierzchni. Z strategicznego punktu widzenia ważne jest dla nas przenoszenie wyników badań podstawowych do rozwiązań praktycznych. TU Braunschweig jest dla nas kluczowym partnerem strategicznym.

W dotychczasowych etapach procesu głównie modyfikujemy narzędzia z łańcucha technologicznego. Jednak powłoki można również bezpośrednio stosować na różnych wyrobach medycznych, np. na inhalatorach z tworzyw sztucznych, o których wspomniano. Również tutaj interakcje między lekiem a powierzchnią muszą być tak dopasowane, aby unikać strat podczas stosowania przez pacjenta.

Innym obszarem badań jest analiza interakcji z opakowaniem lub modyfikacja samych cząstek farmaceutycznych. Na przykład w ramach obecnego projektu finansowanego przez land Niedersachsen, „RNApp”, badamy interakcje lipidowych nanocząstek mRNA z opakowaniem. Celem jest zmniejszenie tych interakcji, aby zwiększyć stabilność magazynową. Projekt daje nam możliwość rozbudowy współpracy z TU Braunschweig i eksplorowania kolejnego obszaru tematycznego, który doskonale uzupełnia wiedzę PVZ.

Jan: Jednym z tematów, o którym jeszcze nie mówiliśmy, jest druk 3D postaci leku. Chcemy połączyć wiedzę Instytutu Technologii Cząstek i TU Braunschweig w zakresie produkcji i charakteryzacji substancji czynnych w postaci filamentów, a także kontroli uwalniania w postaci leku, z kompetencjami Fraunhofer IST w zakresie poprawy przyczepności materiałów i wprowadzania warstw funkcjonalnych do sterowania uwalnianiem. To kolejna ekscytująca perspektywa przyszłych projektów.