An der TH Köln wird aktuell in einer wissenschaftlichen Arbeit an 3D-Druckverfahren und auf Harz basierenden Materialien für den 3D-Druck von Implantaten geforscht. Die Implantate sollen dem Körper Medikamentenwirkstoffe über einen exakten Zeitraum abgeben können. Das wäre unter anderem für Menschen hilfreich, die Medikamente nicht selbstständig einnehmen können.

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Die wissenschaftliche Mitarbeiterin Mi Steinbach untersucht an der TH Köln im Rahmen ihrer kooperativen Promotion Methoden und Materialien für die Herstellung von Implantaten mit einem 3D-Drucker. Steinbach möchte dafür insbesondere das Stereolithographie-Verfahren optimieren und ein Polymerharz entwickeln, das unter Laserbestrahlung für diesen Zweck optimal aushärtet, heißt es in einer Pressemitteilung der TH Köln. Die Freisetzung des Wirkstoffs soll außerdem über einen definierten Zeitraum gesteuert werden können. Im April haben Forscher vom MIT flexible, weiche Gehirnimplantate aus dem 3D-Drucker vorgestellt.

Einsatzmöglichkeiten

Versuchsaufbau
Versuchsaufbau: Vier Laser (unten Mitte) werden über Umlenkspiegel in das Harz (oben) fokussiert und härten das Harz dort in einem Punkt aus (Bild © Thilo Schmülgen/TH Köln).

Mit dem geplanten Verfahren könnten Implantate unter die Haut appliziert werden, mit denen Wirkstoffe dort kontrolliert aus der Polymermatrix in den Blutkreislauf gelangen. Es soll möglich sein, zu steuern, wie viel Wirkstoff wie schnell an den Wirkungsort gelangt. Der Vorgang wäre für Menschen geeignet, die nicht selbstständig regelmäßig Medikamente einnehmen können.

In der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Michael Gartz am Institut für Angewandte Optik und Elektronik der TH Köln hat Steinbach die Stereolithographie für die Herstellung der Implantate weiterentwickelt. Dazu hat Steinbach flüssigem Harz aus verschiedenen Polymeren medizinische Wirkstoffe und einen lichtempfindlichen Initiator zugefügt.

Multi Laser Volume Stereolithography (MLVS)

Der Initiator zerfällt bei Bestrahlung mit Licht in einer bestimmten Wellenlänge, die Polymerisation setzt ein und das Harz härtet aus. Gemeinsam mit Gartz hat Steinbach die Methode zur Multi Laser Volume Stereolithography (MLVS) weiterentwickelt, bei der mit mehreren Laserstrahlen innerhalb des Harzgemischs dreidimensionale Strukturen erschaffen wurden. Bei dieser Methode entsteht keine Hitze, die den Wirkstoffen im Harz schaden könnte, weshalb die Methode auch für wärmeempfindliche Stoffe geeignet ist.

Die wissenschaftliche Mitarbeitern Mi Steinbach erläutert dazu:

„Ich verwende je nach Ansatz vier bis sechs Laserstrahlen, von denen jeder einzelne eine sehr geringe Intensität aufweist. Die Einzelstrahlen dringen also in das Harz ein, ohne dieses auszuhärten. Im Harzvolumen treffen sich die Strahlen dann in einem Punkt und ihre Intensität überlagert sich, sodass die Polymerisation gestartet wird und das Harz aushärtet.“

Entwicklung eigener Harzmischung

Für den Einsatz der Technik im pharmazeutischen Bereich will Steinbach in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Richard Hirsch an der Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften der TH Köln eine eigene Harzmischung entwickeln. Wichtig ist, dass das Implantat keine toxischen Stoffe enthält und der medizinische Wirkstoff nicht mit den Polymeren reagiert.

Die Bioverfügbarkeit kann über die Zusammensetzung des Harzes und über die Herstellungsparameter beim 3D-Druck gesteuert werden. Es entsteht ein Polymernetzwerk mit engeren oder weiteren Maschen, abhängig von der Länge der Polymerketten im Harz. Das entscheidet über die Geschwindigkeit, mit der der Wirkstoff aus der Medikamentenform diffundiert. Durch das Quellen der Polymere in der Flüssigkeit kommt es zu zeitlich veränderten Freisetzungseigenschaften. Mit Langzeitmessungen der Wirkstofffreisetzung will Steinbach die unterschiedlichen Polymerharzmischungen charakterisieren.

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