Vor einem Jahr begann eine Industrie auf eine der größten Pandemien der modernen Geschichte zu reagieren. Gesichtsmasken, Gesichtsschutzschilder, Komponenten für Beatmungsgeräte und Nasopharyngealtesttupfer wurden zu Tausenden, Hunderttausenden und Millionen ausgegeben, als 3D-Druckanbieter und -anwender mobilisiert wurden.
Zu dieser Zeit kündigte Boston Micro Fabrication (BMF) gerade die internationale Einführung seiner Projection Micro-Stereolithography (PµSL) 3D-Drucktechnologie an, die zuerst in Asien eingeführt wurde. Aufgrund des Profils von PµSL - einer Technologie, die für den Druck von Teilen im Mikromaßstab mit hoher Genauigkeit und Auflösung entwickelt wurde - war es unwahrscheinlich, dass sie eine Rolle spielen würde, wenn die globale 3D-Drucker-Benutzerbasis versucht, die Lücken in den Lieferketten für PSA und medizinische Geräte zu schließen. Aber Monate später, als es darum ging, den Weg aus dieser Pandemie und anderen zukünftigen Notfällen im Bereich der öffentlichen Gesundheit zu planen, wurde BMF eingeladen, an einem Projekt unter der Leitung der Carnegie Melon University (CMU) teilzunehmen.
"Das Konzept der Mikronadeln für Impfungen oder andere Medikamentenverabreichungen gibt es schon eine Weile", beginnt John Kawola, der CEO von BMF. "Aber COVID hat es beschleunigt. Die Welt steht vor der Aufgabe, Milliarden von Menschen impfen zu müssen. Und während die Nadel und das Fläschchen [Methode gibt es] seit 75 Jahren, ich denke, wir alle sehen, dass es nicht so einfach zu skalieren ist."
Die CMU hat daher ihre Arbeit an der Entwicklung der Mikronadel-Array-Technologie intensiviert. Mikronadel-Arrays stellen einen Kompromiss aus Hunderten von winzigen Nadeln auf einem Miniaturpflaster dar, die sich beim Auftragen auf die Haut schnell auflösen und das Medikament abgeben. Diese Geräte benötigen nicht dasselbe Maß an Kühlkettenlagerung und können 1/100 der Dosis eines herkömmlichen Impfstoffs abgeben. Das intradermale Verabreichungsgerät der CMU baut auf zehn Jahren Forschung auf und würde nach Ansicht der Universität den Transport und die Lagerung von Impfstoffen vereinfachen und gleichzeitig Engpässe reduzieren.
BMF hat eingeladen, zu dem Projekt beizutragen, weil die PµSL-Technologie in der Lage ist, kleine Teile mit sehr hohen Toleranzanforderungen zu drucken. Im Projekt werden Drucker der 2µm-Serie von BMF eingesetzt - wobei sich die 2µm auf die optische Auflösung beziehen -, die Schichtdicken im Bereich von 5-20µm und Oberflächengüten von 0,4-0,82µm auf der Oberseite der Teile und 1,5-2,52µm an den Seiten erreichen können.
"Auf einer Zwei-Mikron-Plattform kann man typischerweise eine Featuregröße im Bereich von 15-20 Mikrometern erreichen", erklärt Kawola. "In diesem Fall, für Mikronadeln, ist das die Größe der Funktion, die sie versuchen, zu bekommen. Die meisten von ihnen sind Kegel, die bis zur Spitze reichen, und das ist die kleinste Spitze, die sie erreichen wollen. Und wir versuchen, die Geometrie mit den Materialeigenschaften in Einklang zu bringen, um sicherzustellen, dass sie [die Haut durchstoßen], aber nicht brechen."
Durch die bisherigen Forschungen haben die Partner gelernt, dass je kleiner die Nadeln sind, desto einfacher ist es, die Haut zu durchstechen. Wenn PµSL zum Drucken von Mikronadeln für den direkten Gebrauch verwendet werden soll, muss ein biokompatibles Material entwickelt werden, das die Festigkeit und Dehnung besitzt, um die Haut zu durchstechen, wobei das Gleichgewicht zwischen Größe und Festigkeit "noch optimiert werden muss". Alternativ könnte PµSL zum Drucken von Formmustern in ein vorhandenes PDMS-Material verwendet werden, das über eine ausreichende Festigkeit und die erforderliche Biokompatibilität verfügt, um im Spritzgussverfahren für medizinische Geräte verwendet zu werden.
Ein weiterer Aspekt des Projekts - an dem das University of Pittsburgh Center for Vaccine Research, Premier Automation und Tiba Biotech beteiligt sind - ist der Fokus auf die Optimierung und Automatisierung der Produktion. Die Partner wollen sich zwar nicht dazu äußern, wann die Ergebnisse dieses Projekts kommerziell verfügbar sein werden - und sie spielen die Idee herunter, dass ein Mikronadel-Impfstoff uns aus der COVID-19-Pandemie herausführen könnte -, aber sie sehen die letzten 12 Monate als Weckruf, und sie sehen, dass der 3D-Druck nicht nur bei der Bewältigung globaler Gesundheitskrisen, sondern auch bei der Immunisierung von Millionen von Menschen eine entscheidende Rolle spielen wird.
"Bei Dutzenden von Maschinen oder mehr in einer Fabrik kann man durchaus von Hunderttausenden, wenn nicht Millionen, pro Woche sprechen. Das ist das Ziel", sagt Kawola. "Wenn es 1.000 pro Woche sind, ist das nicht so nützlich, aber wenn es Hunderttausende sind, die sich Millionen nähern, dann beginnt das zu skalieren. Die Herstellung solcher Kleinteile in großem Maßstab auf herkömmliche Weise ist teuer. Die Spritzgussform kostet nicht 25.000 Pfund, sondern vielleicht 200.000 Pfund, also ändert sich die Rechnung in Bezug darauf, was Sinn macht. Jeder, der sich mit 3D-Druck beschäftigt, sucht nach einer Möglichkeit, die derzeitige Methode zu verdrängen. Wenn es schwierig und teuer ist, dann ist das ein großartiges Ziel, und genau da sehen wir die Chance."
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