Forscher der University of Kent und der University of Strathclyde in Großbritannien haben ein neuartiges Gerät entwickelt, das 3D-Druck, Mikronadeln und mikroelektromechanische Systeme (MEMS) für eine kontrollierbare, transdermale Arzneimittelabgabe kombiniert. Der 3D-Druck funktioniert sogar einem handelsüblichen Desktop-3D-Drucker, wodurch die Herstellung für viele zugänglicher werden könnte. Mit speziellen Mikronadelpflastern kann die Behandlung von Patienten dann individueller zugeschnitten werden.

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Kent und Strathclyde University LogosForscher der University of Kent und der University of Strathclyde haben ein neuartiges Gerät entwickelt, das 3D-Druck, Mikronadeln und mikroelektromechanische Systeme (MEMS) für eine kontrollierbare transdermale Arzneimittelabgabe kombiniert. Bei der transdermalen Arzneimittelabgabe werden Arzneimittel über ein Pflaster durch die Haut abgegeben. Dazu haben die Forscher ein Verbundgerät entwickelt, das aus einem 3D-gedruckten Mikronadelpflaster in Verbindung mit einem MEMS besteht. Die Ergebnisse ihrer Arbeit haben sie in einem veröffentlichten Artikel mit dem Titel „A novel 3D printed hollow microneedle microelectromechanical system for controlled, personalized transdermal drug delivery“ zusammengefasst.

Details zum Einsatz des „3DMNMEMS“

3DMNMEMS System
Das Gerät „3DMNMEMS“ (im Bild) soll die klinische Behandlung personalisieren und den „One-Size-Fits-All“ -Ansatz für die Arzneimittelabgabe in der Vergangenheit beibehalten (Bild © Sophia Economidou).

Die Verabreichung kann direkt durch den Benutzer kontrolliert werden. Das Gerät „3DMNMEMS“ soll die klinische Behandlung personalisieren und den „One-Size-Fits-All“ -Ansatz für die Arzneimittelabgabe in der Vergangenheit beibehalten.

Sophia Economidou, Forscherin der University of Kent, erklärt:

„Mikronadeln sind kleine Punktionsgeräte, die die äußerste, undurchlässigste Hautschicht zerstören, um Medikamente direkt in die dermale Mikrozirkulation zu transportieren. Ihre Miniaturgröße bedeutet, dass ihre Anwendung schmerzfrei ist und Probleme wie Unbehagen des Patienten und Nadelphobie angeht.“

Transdermale Mikronadelsysteme können auch ohne geschulten Fachmann eingesetzt werden, was wiederum Behandlungskosten senkt. Mikronadeln mit internen Strukturen lassen sich nur schwer bis gar nicht herstellen, weshalb die Forscher sich dem 3D-Druck zuwandten. Das komplexe 3DMNMEMS-Gerät entstand mit einer einstufigen, wiederholbaren und reproduzierbaren Methode. Das Gerät lässt sich so leicht an die Bedürfnisse der Patienten anpassen. Die Mikronadel-Patches sind bei Bedarf herstellbar, wodurch sie nicht in Kliniken und Labors gelagert werden müssen.

3D-Druck der Mikronadeln

Das Mikronadelpflaster entsteht mit einer Standard-CAD-Software und besteht aus hohlen Mikronadelwellen und ihren Bohrungen, internen Mikrokanälen, einem Mikroreservoir und einer Öffnung für die Flüssigkeitsversorgung. Die Mikronadeln wurden mit der Stereolithografie und einem biokompatiblen Polymer in 3D gedruckt. Es war schwierig, die erforderliche Spitzenschärfe zu erreichen und sicherzustellen, dass die inneren Mikrostrukturen frei von Verstopfungen waren, die den Flüssigkeitsfluss einschränken könnten.

Konstruktionsweg 3DMNMEMS
Die Mikronadeln können mit herkömmlichen Desktop-3D-Druckern angefertigt werden (Bild © Sophia Economidou).

Economidou erklärte:

„Im Mikromaßstab verstärkt sich der Einfluss von Druckparametern auf die Qualität des Endprodukts. Daher mussten wir eine Reihe von Optimierungsschritten entwickeln und anwenden, die das Anpassen von Druckparametern und Designanpassungen umfassen, um das erforderliche Ergebnis zu erzielen und ein reproduzierbares Druckprotokoll zu erstellen. Es ist erwähnenswert, dass das Pflaster so konzipiert wurde, dass es leicht an das hier verwendete MEMS sowie an eine typische Spritze angepasst werden kann.“

Tests an diabetischen Mäusen

Die Effektivität des 3DMNMEMS-Geräts wurde an diabetischen Mäusen mit Insulin getestet. Eine gleichgroße Gruppe erhielt Insulin mit einer Injektion. Der Blutzuckerspiegel sank mit dem Insulin über das 3DMNMEMS-Gerät in einer Stunde. Über Injektion sank sie in drei Stunden.

Economidou dazu:

„Injektionen neigen dazu, lokal in der Haut ein Depot zu bilden, aus dem das Medikament durch passive Diffusion im Kreislauf freigesetzt wird. Dies führt zu einer Verzögerung zwischen Verabreichung und Wirkungsspitze. Die Mikronadeln hingegen verteilen das Medikament im Gewebe und ermöglichen so eine schnellere und nachhaltigere Absorption.“

Die Mikronadeln können mit herkömmlichen Desktop-3D-Druckern angefertigt werden. Diese günstige Methode wird die Herstellung solcher Nadeln zugänglicher machen. Die Forschung soll weiter ausgebaut werden, um anspruchsvolle personalisierte Pflegelösungen bereitzustellen.

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