Seien Sie nicht überrascht, wenn Sie in Zukunft Pillen mit ungewöhnlichen Formen sehen. Auf den ersten Blick mögen sie komisch aussehen, aber sie können Arzneimittel kontrolliert im Körper freisetzen. Mithilfe einer Kombination aus fortschrittlichen Computermethoden und 3D-Druck können Objekte hergestellt werden, die sich in einem vorgegebenen Format in Flüssigkeiten auflösen.
Eine Gruppe von Informatikern des Max-Planck-Instituts für Informatik in Saarbrücken und der University of California in Davis hat einen Prozess erfunden, der für eine zeitgesteuerte Freisetzung ausschließlich auf der Form des Objekts beruht. Dies wird wichtige Auswirkungen auf die Pharmaindustrie haben, die sich seit Kurzem stark auf den 3D-Druck konzentriert.
Komisch aussehende Pillen sind kein Design-Gimmick, sie können Medikamente in einem gewünschten Zeitintervall freisetzen. Die Kontrolle des Arzneimittelspiegels bei Patienten ist ein wichtiger Teil der Medikation. Bei intravenöser Infusion wird die Konzentration im Blut durch die Tropfrate multipliziert mit dem Anteil des Arzneimittels in der intravenösen Lösung bestimmt. Ein konstanter Medikamentenspiegel könnte dadurch erreicht werden, dass man zunächst eine große Dosis verabreicht und ihn von da an durch kleinere Dosen aufrechterhält. Bei oraler Verabreichung ist dieses Regime deutlich schwieriger sicherzustellen.
Eine Idee wäre, Strukturen aus mehreren Komponenten und mehreren Materialien mit unterschiedlichen Wirkstoffkonzentrationen an verschiedenen Orten zu verwenden, was schwierig herzustellen ist. Andererseits ist die Herstellung von Arzneimitteln in freier Form mit einer konstanten Verteilung der biochemischen Substanz im Trägermaterial aufgrund der großen Fortschritte im 3D-Druck und seiner unüberwindlichen Möglichkeiten zur Herstellung komplexer Formen derzeit eine praktikable Option. Bei solchen Arzneimitteln hängt die Freisetzung allein von der geometrischen Form ab, was einfacher sicherzustellen und zu kontrollieren ist.
Das von Dr. Vahid Babaei (MPI für Informatik) und Prof. Julian Panetta (UC Davis) geleitete Projekt produziert 3D-Objekte, die sich in einer gewünschten Funktion der Zeit auflösen und so ihren Inhalt kontrolliert freigeben. Durch die geschickte Kombination von mathematischer Modellierung, Versuchsaufbau und 3D-Druck kann das Team 3D-Formen drucken, die beim Auflösen eine zeitlich begrenzte Menge an Medikament abgeben. Dadurch können vorgegebene Wirkstoffkonzentrationen durch orale Verabreichung eingestellt werden.
Da nach der Einnahme im Verdauungstrakt keine äußere Einwirkung möglich ist, muss die gewünschte zeitabhängige Wirkstofffreisetzung durch die Form (aktive Oberfläche, die sich auflöst) der Probe erzeugt werden. Mit einigem Aufwand lässt sich aus einer gegebenen geometrischen Form die zeitabhängige Auflösung berechnen. Bei einer Kugel beispielsweise ist sie streng proportional zur abnehmenden Kugeloberfläche.
Das Forschungsteam schlägt eine Vorwärtssimulation vor, die auf der geometrischen Intuition basiert, dass Objekte Schicht für Schicht aufgelöst werden. Praktiker sind jedoch hauptsächlich daran interessiert, zunächst eine gewünschte Freisetzung zu definieren und dann eine Form zu finden, die sich entsprechend diesem Freisetzungsprofil auflöst. Selbst mit dieser effizienten Vorwärtssimulation ist das Reverse Engineering zum Finden der geeigneten dreidimensionalen Form für ein gewünschtes Medikamentenregime mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden.
Hier findet die Topologieoptimierung (TO) Anwendung: Vorwärtssimulationen werden invertiert, um eine Form zu finden, die eine bestimmte Eigenschaft aufweist. Ursprünglich für mechanische Komponenten entwickelt, hat TO mittlerweile ein breites Anwendungsspektrum gefunden. Das Team ist das erste, das eine inverse Designstrategie vorschlägt, um die Form aus dem Freigabeverhalten basierend auf der Topologieoptimierung zu ermitteln. Die Auflösung wird experimentell validiert: Die gemessenen Freisetzungskurven liegen sehr nahe an den gewünschten Werten.
Im Versuchsaufbau werden die Objekte mit einem filamentbasierten 3D-Drucker gedruckt. Die Auflösung wird dann durch ein Kamerasystem ausgewertet, also tatsächlich gemessen und nicht nur durch ein mathematisches Modell berechnet. Hierzu wird die optische Transmission des Lösungsmittels optisch erfasst. Im Gegensatz zu den bisher üblichen Messmethoden, die die Wirkstoffkonzentration direkt bestimmen (z. B. durch Titrieren), ist diese Methode wesentlich schneller und einfacher einzurichten. Optische Methoden zur Messung der Wirkstoffdichte sind übrigens schon seit Längerem im Einsatz: Beim Einmaischen von Trauben zur Weinbereitung wird der Zuckergehalt (Öchsle) des Traubensaftes refraktometrisch bestimmt.
Die inverse Entwurfsmethode kann auch unterschiedliche Herstellbarkeitsbeschränkungen verschiedener Fertigungssysteme berücksichtigen. Es lässt sich beispielsweise zu extrudierten Formen modifizieren und steht somit einer Massenproduktion nicht im Wege. Über die diskutierte Anwendung in der Pharmazeutik hinaus sind weitere Möglichkeiten die Herstellung katalytischer Körper oder auch grobkörniger Düngemittel.