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Mit programmierbaren Materialien zu 4D-gedruckten Mikrostrukturen

Auf den ersten Blick sind es nur possierliche Tierchen. Doch die mikroskopisch kleinen Kraken und Geckos könnten künftig in der Mikrorobotik oder Biomedizin neue Möglichkeiten erschließen. Denn die 3D-gedruckten Mikrostrukturen bestehen aus neuartigen Materialien – sogenannten intelligenten Polymeren –, die in ihrer Größe und ihren mechanischen Eigenschaften je nach Anforderung mit hoher Präzision angepasst werden können. Entwickelt wurden diese programmierbaren Materialien und die „lebensechten“ 3D-Mikrostrukturen im Rahmen des Exzellenzclusters „3D Matter Made to Order“ (3DMM2O), der von der Ruperto Carola und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) getragen wird.

Das Konzept, bei dem programmierbare Materialien eingesetzt werden, wird als 4D-Druck bezeichnet. Dabei bezieht sich die vierte Dimension auf die Fähigkeit dreidimensional gedruckter Objekte, ihre Eigenschaften im Verlauf der Zeit zu verändern. Ein typisches Material für den 4D Druck sind Formgedächtnispolymere – intelligente Materialien, die als Reaktion auf einen externen Stimulus wie die Temperatur aus einem verformten Zustand zu ihrer ursprünglichen Form zurückkehren können.

Nun ist es den Forschern in den Laboren des Molecular Engineering der Universität Heidelberg mithilfe von adaptiven Materialien gelungen, komplexe 3D-Mikrostrukturen wie Geckos und Kraken mit „lebensechten“ Eigenschaften herzustellen. Diese Materialien beruhen auf dynamischen chemischen Bindungen. Besonders gut eignen sich dafür sogenannte Alkoxyamine. Nach dem Druckvorgang sorgen diese dynamischen Bindungen dafür, dass die komplexen, mikrometrischen Gebilde in nur wenigen Stunden um das Achtfache ihres Volumens wachsen und sich verhärten, wobei die Form erhalten bleibt.

Individualisierte Tabletten mittels pharmazeutischer Polymere 3D-drucken

Hoch individualisierte Medikamente aus dem 3D-Drucker könnten den Behandlungserfolg erhöhen, Nebenwirkungen verringern und die Therapietreue verbessern. Um diese Technologie niedrigschwelliger zu gestalten und etwa für Apotheken oder Krankenhäuser attraktiv zu machen, wurden im Projekt „PolyPrint“ ein neuartiger 3D-Drucker und optimierte Polymere entwickelt. Am Projekt beteiligt sind die TH Köln, die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU), die Merck KGaA und die Gen-Plus GmbH & Co. KG. Dabei stammen die neu entwickelten pharmazeutischen Polymere von der Firma Merck. Sie sind für die Verfahren Hot Melt Extrusion und Fused Deposition Modeling geeignet, welche auch die Grundlage des neuen 3D-Druckverfahrens sind. Bei der Hot-Melt-Extrusion werden Kunststoffe aufgeschmolzen, mit den pharmazeutischen Wirkstoffen vermischt und zu langen Fäden, den Filamenten, verarbeitet. Das Fused Deposition Modeling ist eine 3D-Drucktechnologie, bei der die Filamente im Druckkopf ein zweites Mal aufgeschmolzen und zu Tabletten geformt werden.

Der im Labor für Fertigungssysteme der TH Köln entwickelte Prototyp des neuen 3D-Druckers arbeitet mit zwei Druckköpfen. Diese können Filamente mit unterschiedlichen Wirkstoffen verarbeiten und nacheinander oder im Wechsel eine Tablette drucken. Wenn das System komplett ausgebaut ist, könnten bis zu acht Druckköpfe integriert werden. Dabei entspricht das Gerät den Anforderungen der „Good Manufacturing Practice“ nach dem EU-GMP-Leitfaden für Anlagen in der pharmazeutischen Produktion. So ist der Druckraum komplett abgekapselt und alle Komponenten, die mit Material in Berührung kommen, können leicht entfernt und gereinigt werden. Der wassergekühlte Druckkopf sei auch für brüchige Filamente geeignet. Das Institut für Pharmazeutische Technologie und Biopharmazie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und die Firma Gen-Plus untersuchten den Verarbeitungsschritt vom Polymer zur Tablette. Zentral dafür ist der Extruder, der Polymere und Wirkstoffe vermischt. Dieser wurde so konfiguriert, dass auch bei sehr geringen Dosierungen von 0,1 Prozent Wirkstoff Filamente entstehen, die vollständig homogen sind, damit jede Tablette die gleiche Menge Wirkstoff enthält. Zudem wurden die Druck- und Temperaturbedingungen im Druckkopf analysiert.

Die mit dem neuen 3D-Drucker hergestellten individuell gedruckten Medikamente könnten zum Beispiel Wirkstoffe an den Körper über einen bestimmten Zeitraum freisetzen. Das ließe sich über bestimmte Geometrien oder Oberflächen steuern. Hier entwickelten die Projektpartner eine Tablette zur Behandlung von Parkinson mit drei Wirkstoffen. Diese wurde so gestaltet, dass die Wirkstoffe sich nacheinander aus der Tablette lösen und so in der Behandlung die optimale, aufeinander abgestimmte Wirkung zeigen. Ebenfalls könnten Kleinkinder und Kinder von der neuen Entwicklung profitieren. Hier ließen sich Medikamentendosen aufgrund des schnellen Wachstums in sehr kleinen Schritten anpassen. Auch in der Präzisionsmedizin, die Arzneistoffe patientengenau zuschneidet, könnte das Verfahren Anwendung finden. Möglich sind Chargengrößen zwischen einer und hundert Tabletten.

Insektenschutzmittel in 3D-gedrucktem Schmuck länger aktiv halten

Insektenschutzmittel wie das "IR3535" der Firma Merck sind seit vielen Jahren weltweit im Einsatz und gelten als gut verträglich. In der Regel wird es als Spray oder Lotion gegen Mücken angewendet, was einen Schutz von mehreren Stunden verspricht. Wissenschaftler der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) haben nun nach Wegen gesucht, das Mittel über einen deutlich längeren Zeitraum aktiv zu halten.

Mit Hilfe einer speziellen 3D-Drucktechnik gelang es ihnen, das Insektenschutzmittel kontrolliert in ein biologisch abbaubares Polymer einzubringen und das Stoffgemisch zu einem Fingerring zu formen. Die Idee dahinter: Das Insektenschutzmittel soll kontinuierlich verdampfen – also an die Umgebung abgegeben werden – und so eine Barriere gegen Insekten bilden. Wie schnell das Insektenschutzmittel verdampft, ist von vielen Faktoren, einschließlich der Temperatur, der Konzentration und der Struktur des eingesetzten Polymers, abhängig. Anhand verschiedener Versuche und Simulationen geht das Team jedoch davon aus, dass das Insektenschutzmittel bei Körpertemperatur weit mehr als eine Woche benötigt, um vollständig zu verdampfen. Bei dem 3D-gedruckten Fingerring handelt es sich zunächst um einen Prototyp. Neben Fingerringen sind auch Armreife denkbar, in die das Insektenschutzmittel integriert werden kann.

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