Aufklärung der Prozess-Struktur-Beziehungen von wirkstoffpartikelhaltigen Polymerkompositen in Schmelzextrusionsprozessen

• Antragsteller: Dr. Jan Henrik Finke
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Pharmazie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 537017158

Die Schmelzextrusion stellt in der pharmazeutischen Industrie und Forschung einen attraktiven Prozess zur lösemittelfreien Herstellung fester (Zwischen-)Produkte dar. Bei gegebener thermischer Stabilität können Wirkstoffe beispielsweise in eine wasserlösliche polymere Matrix eingebettet werden. Aufgrund intermolekularer Wechselwirkungen zwischen Wirkstoff und Polymer besteht hierbei die Möglichkeit, die kristalline Struktur der Wirkstoffpartikel aufzulösen. Da insbesondere bei der Weiterverarbeitung der Schmelzextrudate zu individualisierten Arzneiformen mittels 3D-Druck möglichst hohe Wirkstoffbeladungen für größtmögliche Flexibilität bei der Dosis bei gleichzeitig akzeptabler und schluckbarer Größe benötigt werden, verbleibt ein Teil des Wirkstoffs partikulär. Durch die temperaturabhängige Löslichkeit können sich jedoch die Eigenschaften der Wirkstoffpartikel während der Prozesse neben den üblichen scherbedingten Effekten der (De-)Agglomeration/Aggregation und Zerkleinerung verändern. Da dieses Verhalten nicht hinreichend erforscht ist, stellt das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens den Aufbau eines Populationsbilanzenmodells zur Beschreibung der Partikelgrößenentwicklung disperser Wirkstoffe in Polymersystemen und deren Auswirkung auf die Produkteigenschaften dar. Dazu sollen mögliche Einflüsse (Formulierung, Anlage, Prozess) zunächst mittels statistischer Versuchsplanung untersucht und hinsichtlich ihrer Stärke bewertet werden. Die drei größten Einflüsse sollen daraufhin systematisch variiert werden, um fundamentales Wissen für die Bildung robuster Modelle zu generieren. Darüber hinaus soll das Modell um die Einflüsse eines zweiten Schmelzprozesses mit abweichenden Größen- wie auch Verweilzeitcharakteristika (3D-Druck) erweitert werden. Da eine klassische Redispergierung der Wirkstoffpartikel in wässrigen Medien zur Größenanalyse aufgrund der langsamen Zerfallszeit der Polymermatrix nicht angewandt werden kann, erfolgt die Analyse der Partikelgrößenverteilungen als Hauptfaktor der Produkteigenschaften mit in eigener Vorarbeit entwickelter Methoden auf Basis scannender Raman-Mikroskopie. Als wichtigste Prozessgröße der Formulierungen soll die Schmelzviskosität neben oszillatorischer Rotationsrheologie mittels Kapillarrheologie ermittelt werden. Diese Daten werden auch verwendet, um die Dispersionseffekte der Extruderschnecke von denen der Strömungsmuster in der Düse selbst zu unterscheiden. Darüber hinaus sollen die Einflüsse der dispersen Beladung auf die finalen Produkteigenschaften untersucht werden. Final sollen die gefundenen Zusammenhänge durch empirische und mechanistische Zusammenhänge und Gleichungen aus der Literatur erweitert und in einem zweistufigen Populationsbilanzen-Modell kombiniert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen