SEAL 3D-Drucktechnologie soll Einmalimpfung mit Langzeit-Freigabe von Wirkstoffen ermöglichen

Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben eine neuartige 3D-Technologie entwickelt um einmalige Impfungen mit mehren Wirkstoffen zu ermöglichen, die verteilt über einen längeren Zeitraum im Körper freigegeben werden. Mit dem Verfahren genannt SEAL werden schalenähnliche Mikropartikel gedruckt, welche den Impfstoff beinhalten und sich zu vorab festlegbaren Zeitpunkten auflösen.

Laut dem Forscherteam gleichen diese Mikropartikel keinen Kaffeebechern, die mit Medikamenten- oder Impfwirkstoffen gefüllt und mit einem Deckel versiegelt werden können. Diese Partikel bestehen aus dem biokompatiblem Polymer PLGA, welches in seiner Zusammensetzung so gestaltet werden kann, dass es sich zu bestimmten Zeitpunkten abbaut und somit seinen Inhaltsstoff frei gibt.

“Wir sind begeistert vom Potential dieser Arbeit, da wir damit zum ersten mal eine Sammlung kleiner, eingekapselter Impfstoffpartikel hergestellt haben, die einzeln programmiert werden können um den Wirkstoff zu einem präzisen, vorhersehbaren Zeitpunkt freigibt. So könnten Menschen durch eine einzige Impfung auch mehrere eingebaute Nachimpfungen erhalten. Dies hätte eine bedeutende Auswirkung auf Patienten, speziell in Entwicklungsländern in denen die Therapietreue der Patienten sehr gering ist,” erklärt Robert Langer, Professor am David H. Koch Institut des MIT.

Da sich konventionelle 3D-Drucktechnologien aufgrund des verwendeten Materials sowie der kleinen Größe als ungeeignet für die Herstellung dieser Partikel herausstellten, hat man nach einer neuen Lösung gesucht. Inspiriert von der Computer-Chip-Fertigung wurde ein Fotolithographie-Verfahren angewendet um Silikonformen für die winzigen Becher und Deckel herzustellen. Auf eine Glasplatte passen rund 2.000 Formen dieser würfelförmigen Strukturen mit einer Kantenlänge von nur wenigen hundert Mikrometern. Die fertigen Behältnisse werden dann mit einem eigens entwickelten System mit Impfstoff gefüllt bevor diese mit den Deckeln verschlossen und versiegelt werden.

“Jede der einzelnen Schichten wird zuerst separat hergestellt und danach zusammengefügt,” erklärt Ana Jaklenec, Forscherin am Koch Institut für Integrative Cancer Research. “Teil der Innovation ist der Prozess wie die einzelnen Schichten angeordnet und versiegelt werden. Dazu haben wir eine neue Methode entwickelt mit der sich Strukturen herstellen lassen die mit derzeitigen 3D-Drucktechnologien nicht realisierbar sind. Dieses neue Verfahren, genannt SEAL (StampEd Assembly of Polymer Layers), kann mit jedem thermoplastischen Material verwendet werden und ermöglicht die Herstellung von Mikrostrukturen mit komplexer Geometrie, die über breites Anwendungspotential verfügen, darunter injizierbare pulsatile Arzneimittelabgabe, pH Sensoren und 3D Mikrofluidikvorrichtungen.”

Die Freigabe des Wirkstoffes hängt mit dem molekularen Gewicht des PLGA Kunststoffes sowie der Struktur der einzelnen Moleküle zusammen. Damit kann die genaue Abbaurate und somit der Zeitpunkt der Freigabe bestimmt werden.

Die Wissenschaftler haben die Mikropartikel bereits in Mäusen erfolgreich getestet. Eine der weiteren Herausforderungen ist es nun Langzeit-Impfstoffe für solche Partikel zu entwickeln. Dabei muss sichergestellt werden, dass die eingekapselten Wirkstoffe bei Körpertemperatur stabil und haltbar bleiben. Derzeit werden solche Partikel unter anderem für Polio-Impfstoffe getestet.

Die Studie mit dem Titel “Fabrication of fillable microparticles and other complex 3D microstructures” wurde im Fachjournal Science veröffentlicht.