3D-gedruckte Drug-Delivery-Systeme mit zeitlich steuerbarer Wirkstofffreisetzung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hermann Seitz; Dr. Michael Teske
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 355927747

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Ziel des vorliegenden Projektvorhabens war die Entwicklung von Drug-Delivery-Systemen (DDS) mit zeitlich steuerbarer Wirkstofffreisetzung. Zur Umsetzung des Ziels wurde im Rahmen des Projekts ein hybrides 3D-Druckverfahren entwickelt. Dieses basiert auf einem Stereolithographieprozess zur Herstellung eines Grundkörpers und einem Inkjet-Printing (IJP) -Prozess zur lokalen Einbringung der Wirkstoffdepots. Die Wirkstoffdepots können variabel in Parametern wie Depotanzahl, Depotgröße, Depotposition oder der Art des Wirkstoffes gestaltet werden. Da es sich um einen photopolymerisierenden Prozess handelt, besteht zudem die Möglichkeit, die Depots gezielt mit dem Basispolymer des DDS zu vernetzen. In diesem Kontext konnte im Projekt gezeigt werden, dass die Eigenschaften der DDS (Mechanik, Wirkstofffreisetzung, Biokompatibilität) durch die Materialzusammensetzung (Molekulargewicht und Konzentration des Basispolymers, Konzentration und Wahl des Photoinitiators, Art und Konzentration des Crosslinkers) und Nachbehandlung beeinflusst wird. Daneben haben die Art und Zusammensetzung der Wirkstofflösung im IJP entscheidenden Einfluss auf die Wirkstoffverteilung, Lokalisation im DDS und die Interaktion mit dem Basispolymer. Resultierend ermöglicht das neu entwickelte hybride 3D-Druckverfahren, die (lokalen) Eigenschaften des DDS und der enthaltenen Wirkstoffdepots gezielt in seinen Eigenschaften, insbesondere die Wirkstofffreisetzung betreffend, zu gestalten. Die realisierte Versuchsanlage umfasst zwei IJP-Druckköpfe. Durch diese lassen sich somit bis zu zwei unterschiedlichen Wirkstoffe simultan in ein DDS eindrucken. Unter Rückgriff auf Modellsub-stanzen (unterschiedliche Farbstoffe) als auch den Modellwirkstoff Bovines Serum Albumin (BSA) und Acetylsalicylsäure (ASS) wurden erfolgreich Probekörper hergestellt, die sich in Depotzusammensetzung, Depotgröße, Depotanzahl als auch Depotposition unterschieden. Als Basispolymer für alle Probekörper wurde Polyethylenglycoldiacrylat (PEGDA) verwendet. Um die Möglichkeiten der Einflussnahme auf eine Wirkstofffreisetzung zu demonstrieren, wurden exemplarisch DDS-Probekörper mit zentral positionierten Depots hergestellt. An diesen konnte gezeigt werden, dass die Freisetzung aus dem Depot aufgrund langer Diffusionswege und der Hydrolyse möglicher kovalenter Bindungen (z. B. über Thiol-Ester-Bindungen) mit dem Basispolymer retardiert verläuft. Im Fazit bietet das hybride 3D-Druckverfahren ein großes Potenzial, DDS mit gezielt gestalteten (Langzeit-) Freisetzungszeiträumen multipler Wirkstoffe und ohne den Effekt des "burst-release", der bei der Wirkstofffreisetzung aus herkömmlichen diffusionskontrollierten DDS auftritt, herzustellen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Novel 3D printing concept for the fabrication of time-controlled drug delivery systems. Current Directions in Biomedical Engineering, Vol. 4. 2018, Issue 1, pp. 141-144.
  Konasch, J.; Riess, A.; Teske, M.; Rekowska, N.; Mau, R.; Eickner, T.; Grabow, N.; Seitz, H.
  
• Thermomechanical properties of PEGDA and its co-polymers. Current Directions in Biomedical Engineering, Vol. 4. 2018, Issue 1, pp. 669-672.
  Rekowska, N.; Arbeiter, D.; Konasch, J.; Riess, A.; Mau, R.; Eickner, T.; Seitz, H.; Grabow, N.; Teske, M.
  
• 3D-printed PEG-DA structure with multiple depots for advanced drug delivery systems. Transactions on Additive Manufacturing Meets Medicine (AMMM), Vol. 1. 2019, No 1, 1909S09T03.
  Konasch, J.; Riess, A.; Mau, R.; Teske, M.; Rekowska, N.; Eickner, T.; Grabow, N.; Seitz, H.
  
• A Novel Hybrid Additive Manufacturing Process for Drug Delivery Systems with Locally Incorporated Drug Depots. Pharmaceutics, Vol. 11. 2019, Issue 12, 661.
  Konasch, J.; Riess, A.; Mau, R.; Teske, M.; Rekowska, N.; Eickner, T.; Grabow, N.; Seitz, H.
  
• Biocompatibility and thermodynamic properties of PEGDA and two of its co-polymers. Proceedings of the 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), Berlin, Germany, 2019, pp. 1093-1096.
  Rekowska, N.; Arbeiter, D.; Brietzke, A.; Konasch, J.; Riess, A.; Mau, R.; Eickner, T.; Seitz, H.; Grabow, N.; Teske, M.
  
• Thermomechanical properties of PEGDA in combination with different photo-curable comonomers. Current Directions in Biomedical Engineering, Vol. 5. 2019), Issue 1, pp. 319-322.
  Rekowska, N.; Arbeiter, D.; Konasch, J.; Riess, A.; Mau, R.; Eickner, T.; Seitz, H.; Grabow, N.; Teske, M.