Arzneien per Textilfaser

Wird eine Wunde oder Entzündung direkt am Ort der Entstehung behandelt, ist der Wirkstoff ist sofort am Ziel und Nebenwirkungen auf unbeteiligte Körperteile entfallen. Gängige lokale Verabreichungs­methoden kommen jedoch an ihre Grenzen, wenn es darum geht, Wirkstoffe über längere Zeit präzise zu dosieren. Sobald eine Salbe die Tube verlässt oder die Injektions­flüssigkeit aus der Spritze strömt, ist die Steuerung der Wirkstoff­menge kaum mehr möglich. Edith Perret aus dem Empa-Labor „Advanced Fibers“ in St. Gallen entwickelt daher medizinische Fasern mit ganz besonderen inneren Werten: Die Polymer­fasern umschließen einen flüssigen Kern mit medizinischen Wirkstoffen. Das Ziel: medizinische Produkte mit besonderen Fähig­keiten, etwa chirurgisches Nahtmaterial, Wund­verbände und Textil­implantate, die Schmerzmittel, Antibiotika oder Insulin präzise über einen längeren Zeitraum verabreichen können.

Ein entscheidender Faktor, der eine herkömm­liche Textilfaser zu einem Medizin­produkt macht, ist das Material des Fasermantels. Das Team wählte hierfür Poly­caprolacton (PCL), ein bioverträgliches und bio­abbaubares Polymer, das bereits erfolgreich im medizinischen Bereich eingesetzt wird. Der Fasermantel umschließt etwa ein Schmerzmittel oder ein anti­bakteriell wirksames Medikament, und gibt es mit der Zeit an die Umgebung ab. Auf einer eigens konstruierten Pilot­anlage erzeugten die Forschenden mittels Schmelzspinnen PCL-Fasern mit einem durchgehenden Kern aus Flüssigkeit. In ersten Labor­versuchen entstanden so stabile und gleichzeitig flexible Flüssigkern­fasern. Dass dieses Verfahren aber nicht nur im Labor, sondern auch im indus­triellen Massstab funktioniert, hatte das Team für technische Fasern bereits zuvor gemeinsam mit einem Schweizer Industrie­partner erfolgreich zeigen können.

Nach welchen Parametern die medizinischen Fasern ein eingeschlossenes Mittel freisetzen, wurde zunächst mit fluores­zierenden Modell­substanzen und schließlich mit verschiedenen Medikamenten untersucht. „Kleine Moleküle wie das Schmerzmittel Ibuprofen bewegen sich nach und nach durch die Struktur des Außen­mantels“, so Edith Perret. Größere Moleküle werden hingegen an den Enden der Fasern abgegeben. „Dank einer Vielzahl verschiedener Parameter lassen sich die Eigenschaften der medizinischen Fasern präzise steuern“, erklärt die Forscherin. Nach umfassenden Analysen mittels Fluoreszenz­spektroskopie, Röntgen­technologie und Elektronen­mikroskopie konnten die Forschenden beispielsweise den Einfluss von Manteldicke oder Kristall­struktur des Mantel­materials auf die Abgaberate von Medikamenten aus den Flüssigkern­fasern nachweisen.

Je nach Wirkstoff kann zudem das Herstellungs­verfahren angepasst werden: Wirkstoffe, die unempfindlich gegenüber den hohen Temperaturen beim Schmelzspinnen sind, können direkt in einem kontinuier­lichen Vorgang in den Kern der Fasern integriert werden. Für Temperatur-empfind­liche Medikamente konnte das Team das Verfahren hingegen so optimieren, dass zunächst ein Platzhalter den Flüssigkern ausfüllt, der nach dem Schmelzspinnen durch den sensitiven Wirkstoff ausgetauscht wird. 

Zu den Vorteilen der Flüssigkernfasern gehört auch die Möglichkeit, den Wirkstoff aus einem Reservoir über einen längeren Zeitraum freizusetzen. Damit ergeben sich vielfältige Anwendungs­möglichkeiten. Mit Durchmessern von fünfzig bis zweihundert Mikrometern sind die Fasern beispielsweise groß genug, um sie zu robusten Textilien zu weben oder zu stricken. Die medizinischen Fasern könnten aber auch ins Körperinnere geführt werden und dort Hormone wie Insulin abgeben, so Perret. Ein weiterer Vorteil: Fasern, die ihr Medikament freigesetzt haben, können erneut befüllt werden. Die Palette der Wirkstoffe, die mittels Flüssigkern­fasern einfach, bequem und präzise verabreicht werden könnten, ist groß. Neben Schmerzmitteln sind entzündungs­hemmende Medikamente, Antibiotika oder sogar Lifestyle-Präparate denkbar.

In einem nächsten Schritt wollen die Forschenden chirurgisches Nahtmaterial mit anti­mikrobiellen Eigenschaften ausstatten. Mit dem neuen Verfahren sollen verschiedene Flüssigkern­materialen mit medi­zinischen Wirkstoffen befüllt werden, um Gewebe bei einer Operation so zu vernähen, dass Wundkeime keine Chance haben, eine Infektion auszulösen. Perret ist darüber hinaus überzeugt, dass eine künftige Zusammen­arbeit mit klinischen Partnern die Basis für weitere innovative klinische Anwendungen ist.

Empa / JOL