Wie der aktuelle weltweite Impfstoff-Rollout gegen COVID-19 gezeigt hat, stößt die Verabreichung konventioneller Nadelimpfstoffe in großem Maßstab an ihre Grenzen. John Kawola, Global CEO von Boston Micro Fabrication, erläutert, wie der Mikro-3D-Druck von Mikronadeln die weltweite Reaktion auf die Impfstoffverteilung radikal verändern könnte.
Laut den neuesten Zahlen von Bloomberg wurden weltweit mehr als 1,5 Milliarden Dosen des COVID-19-Impfstoffs verabreicht. Diese Zahlen sind zweifellos beeindruckend, wenn man den kurzen Zeitrahmen von der Impfstoffentwicklung bis zum Einsatz bedenkt. Die letzten Monate haben jedoch einige große logistische Herausforderungen bei herkömmlichen Nadelimpfstoffen aufgezeigt – insbesondere deren Schwierigkeit bei der Verabreichung in großem Maßstab.
Stellen Sie sich vor, wie viel einfacher die Verteilung wäre, wenn ein Impfstoff direkt an Ihre Haustür geliefert und über ein winziges, schmerzloses Pflaster, das am Arm haftet, verabreicht werden könnte. Was wäre, wenn Impfstoffe in dieser Form an verarmte oder abgelegene Orte geschickt werden könnten, die keinen Zugang zur Gesundheitsversorgung haben? Fortschritte in den Immunisierungstechnologien, insbesondere Mikronadeln, lassen diese Ideen Realität werden.
Das Konzept der Mikronadeln für Impfungen oder andere Medikamentenverabreichungen existierte bereits seit einiger Zeit, doch COVID beschleunigte die Nachfrage und Forschung, um es umzusetzen. Sobald jedoch die Verabreichungsmethode für Mikronadeln finalisiert ist, steht die Industrie vor einer weiteren Hürde: herauszufinden, wie diese winzigen, funktionalen Geräte in großem Maßstab und so kostengünstig wie traditionelle Impfmethoden hergestellt werden können. Die Antwort liegt im Mikropräzisions-3D-Druck.
Uns der Zukunft näherbringen
Ein Team von Kooperationspartnern unter der Leitung der Carnegie Mellon University und unter Beteiligung von Boston Micro Fabrication (BMF) hat kürzlich bekannt gegeben, dass es einen neuartigen Ansatz für Impfungen mittels einer kostengünstigen Hybrid-Mikronadel-Array-Technologie mit niedriger Dosis entwickelt. Die Mikronadel-Arrays bestehen aus Hunderten winziger Nadeln auf einem kleinen Pflaster, die sich bei Hautkontakt schnell auflösen und die Impfung abgeben können.
Diese Verabreichungsmethode erfordert eine geringe Dosis (nur 1/100 der Dosis eines herkömmlichen Impfstoffs) ohne die gleichen Anforderungen an die Kühlkettenlagerung, was bedeutet, dass sie das Potenzial hatte, den Transport und die Lagerung von Impfstoffen zu vereinfachen, Impfstoffengpässe zu reduzieren und Impfstoffe leichter an Menschen weltweit zu verteilen. Dies sind alles Bedenken, die in den letzten Monaten bei herkömmlichen Methoden der Impfstoffverteilung aufgedeckt wurden.
Die bisherigen Forschungsergebnisse sind vielversprechend: Es wurde festgestellt, dass kleinere Mikronadeln das Durchstechen der Haut erleichtern und die Impfstoffabgabe effektiver machen. Diese Erkenntnis bringt jedoch neue Herausforderungen für die praktische Anwendung von Mikronadel-Arrays mit sich, und genau hier kommt der Mikro-3D-Druck ins Spiel.
Wenn kleiner besser ist, entstehen größere Herausforderungen.
Wie bei jeder Art von Fertigung und Produktentwicklung gilt: Je kleiner das Bauteil, desto schwieriger ist es zu konstruieren, desto teurer ist die Herstellung und desto komplizierter ist die Serienproduktion in großem Maßstab. Diese Annahme trifft insbesondere auf traditionelle Fertigungsmethoden wie den Mikro-Spritzguss und die computergesteuerte numerische Steuerung (CNC-Bearbeitung) zu, bei denen gilt: Je kleiner und detaillierter das Bauteil, desto höher die Kosten und desto länger die Wartezeit bis zur Lieferung (und wenn uns diese Pandemie etwas über die Fertigung gelehrt hat, dann, dass Zeit von entscheidender Bedeutung ist).
Die additive Fertigung gilt seit langem als kostengünstigerer und zeiteffizienterer Ansatz, doch selbst der 3D-Druck hat traditionell an Attraktivität verloren, sobald Teile kleiner werden. Herausforderungen bei Präzision und Genauigkeit haben jahrelang Innovationshemmnisse verursacht; einfach ausgedrückt, fehlte es an verfügbaren, praktikablen additiven Fertigungstechnologien, die mit der erforderlichen Auflösung und im großen Maßstab drucken können.
Die hohen Kosten traditioneller Fertigungsmethoden, kombiniert mit dem Fehlen einer leistungsfähigen 3D-Druckalternative, hätten das Potenzial von Mikronadel-Impfungen bereits vor Abschluss der Forschung zunichtegemacht, wären da nicht die jüngsten Fortschritte im Mikro-3D-Druck gewesen. Neuere Technologien wie die Stereolithographie (SLA), die digitale Lichtverarbeitung (DLP) und eine Kombination aus beiden, die als Projektions-Mikro-Stereolithographie (PµSL) bekannt ist, können endlich ultrapräzise, mikrogroße Bauteile herstellen, die sowohl für das Rapid Prototyping als auch für die Serienproduktion geeignet sind.
Mikro-3D-Druck für Mikronadeln
Carnegie Mellon lud BMF zur Teilnahme an der Forschung ein, da das Unternehmen über die PµSL-Technologie verfügt, die kleine Teile mit einer Auflösung von bis zu 2 µm drucken kann. Diese Technologie ermöglicht das Drucken mit der richtigen Auflösung, Größe und Genauigkeit, präzise und effizient … doch wie genau der Mikro-3D-Druck zur Herstellung des endgültigen Mikronadel-Impfstoffs eingesetzt wird, ist noch offen.
In einer idealen Welt würde PµSL verwendet, um die Mikronadeln für den Endgebrauch unter Verwendung eines auflösbaren, biokompatiblen Materials zu drucken. Dies wäre die effizienteste Methode, um die Arrays in Produktion und Vertrieb zu bringen, und würde andere Prozesse wie das Formen eliminieren. Diese Methode hängt jedoch von der Entwicklung des geeigneten auflösbaren Materials ab. Da die Zeit drängt, gibt es auch eine Reihe von Alternativen zu berücksichtigen.
Eine dieser Optionen wäre die Verwendung von PµSL zum Drucken von Formmustern, die ausreichend stabil sind, um zur Herstellung von Gussformen verwendet zu werden, welche dann für die Produktion eingesetzt würden. Dies würde die Fertigung zahlreicher Mikronadeln aus derselben 3D-Druckform ermöglichen und wäre im Vergleich zu traditionellen Fertigungsmethoden immer noch kostengünstiger, genauer und präziser.
Obwohl Mikronadel-Impfstoffe noch in einem frühen Stadium der Forschung und Entwicklung sind, besteht kein Zweifel daran, dass der Mikro-3D-Druck eine integrale Rolle bei der Realisierung ihrer Massenproduktion und -verteilung spielen wird. Diese winzigen Geräte haben das Potenzial, die Art und Weise, wie die Welt auf Gesundheitskrisen reagiert und Millionen von Menschen schnell und in großem Maßstab immunisiert, vollständig zu revolutionieren. Und obwohl COVID-19 hoffentlich ein einmaliges Ereignis war, werden die heute entwickelten innovativen Impfstoffherstellungs- und -verabreichungstechniken einen reibungsloseren Kampf gegen zukünftige Bedrohungen gewährleisten.
Dieser Artikel wurde ursprünglich in Medical Plastics News Ausgabe 17 auf den Seiten 32-33 veröffentlicht.
