Ein Team um Professorin Regina Scherließ von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat mithilfe eines hochpräzisen 3D-Druckverfahrens winzige Trägerpartikel mit definierter Geometrie hergestellt und den Einfluss der Geometrie in einem möglichen Inhalationsvorgang (anhand von Laborexperimenten) untersucht. Dies erfolgte über eine aerodynamische Analyse von Trägerpartikel/Wirkstoff-Kombinationen, um die Trägergeometrie mit dem höchsten Anteil an feinen Arzneimittelpartikeln unter 5 µm (lungengängiger Anteil) zu ermitteln. Analysen zur Quantifizierung des Wirkstoffs erfolgten über analytische HPLC (High Performance Liquid Chromatography). Das Ergebnis: Die Partikelform beeinflusst die inhalierbare Wirkstoffmenge deutlich. Von vier getesteten Designs schnitt eine Variante mit Abstand am besten ab.

Millionen identischer Partikel

Eine innovative 3D-Druck-Methode macht es möglich, Millionen exakt geformter Partikel in Serie herzustellen: Die Zwei-Photonen-Polymerisation ist ein Verfahren, das mit einer Auflösung im Nanometerbereich arbeitet. Der Laser aktiviert gezielt Stellen im Material, die sofort aushärten. Dank einer Drucktechnik, die am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) weiterentwickelt wurde, lassen sich nun 49 Strukturen gleichzeitig herstellen – das beschleunigt den Prozess erheblich.

Das Team fertigte für jedes der vier getesteten Designs mehr als zwei Millionen identische Partikel an. Zusätzlich druckten sie für eine Form exemplarisch drei Varianten mit unterschiedlich starker Rauheit – von fein bis grob. Anschließend mischten sie die Partikel mit einem Modellwirkstoff – wie bei realen Inhalationspräparaten.

"Damit der Wirkstoff wirken kann, muss er sich beim Einatmen vom Träger lösen und mit der Atemluft in die Lunge gelangen", erklärt Erstautor Melvin Wostry. "Bleibt er haften, wird er einfach heruntergeschluckt und erreicht sein Ziel nicht."

Die Tests zeigten: Die Geometrie der Trägerpartikel bestimmte maßgeblich, wie viel Wirkstoff beim Inhalieren freigesetzt werden könnte. "Eine Form, die wir ‚Pharmacone‘ nennen, war der klare Gewinner. Sie erinnert in ihrer Form an einen kleinen Stern, mit mehreren Spitzen an der Oberfläche", sagt Regina Scherließ. "Die Feinpartikelfraktion – also der Anteil des Wirkstoffs in der lungengängigen Größe unter fünf Mikrometern – war bei dieser Geometrie viermal so hoch wie bei der nächstbesten Variante."