Development and Characterization of 3D Printable Diffusion Controlled Drug Formulations With UV-Curable Photopolymer Resins

  • In recent decades, there has been a growing awareness in our society of the impor- tance of medicines that are personalized to the needs of patients. This dissertation contributes to the research on personalized dosage forms with controlled drug release. The basis of our investigations is the simulation of the expected diffusion properties of these personalized dosage forms using computer-aided statistical methods and the subsequent adaptation of suitable models to experimentally obtained data. This novel approach makes it possible to verify the parameters determined from exper- imental data, such as the diffusion coefficient. A key finding is that, for instance, the homogeneity of the sample, the precision of the measurement data collection and the consideration of the measurement environment have a greater influence on theIn recent decades, there has been a growing awareness in our society of the impor- tance of medicines that are personalized to the needs of patients. This dissertation contributes to the research on personalized dosage forms with controlled drug release. The basis of our investigations is the simulation of the expected diffusion properties of these personalized dosage forms using computer-aided statistical methods and the subsequent adaptation of suitable models to experimentally obtained data. This novel approach makes it possible to verify the parameters determined from exper- imental data, such as the diffusion coefficient. A key finding is that, for instance, the homogeneity of the sample, the precision of the measurement data collection and the consideration of the measurement environment have a greater influence on the validity of the diffusion coefficient than the choice of the diffusion model. The experimental part of this thesis comprises the development and characterization of drug-loaded polymer resins, the implant fabrication, and the pharmaceutical and physical investigation of the polymer-drug implants. The formulation of polymer resins and their suitability for 3D printing (3DP), as well as their use in pharmaceu- tical applications, are extensively addressed. The release properties and, in partic- ular, the polymer network’s mesh size influence on the active ingredient’s diffusion rate in aqueous solution are studied. In addition, the production of polymer sam- ples by means of UV photopolymerization in a molding process developed for this purpose, as well as by using stereolithographic 3DP, are examined comparatively. The polymerization process and the polymer properties resulting from the different production methods are presented. The major findings from these studies include the successful development of a polymer resin formulation whose release and swelling properties are comprehensively demonstrated using a model drug. Furthermore, the optimization of this resin for the use of the active pharmaceutical ingredient (API) testosterone was achieved. A comparison of the two developed resin formulations clearly shows the limitations and the possibilities of transferability of both systems. In addition, the results concerning the release of API from the polymer, as well as the diffusion of the solvent into the polymer and the resulting increase in the volume, provide insight into the changed interfacial diffusion resistance in 3D printed poly- mers compared to molded polymers. This work thus contributes to the development of personalized drug forms and paves the way for the production of release-controlled polymer resin implants for future follow-up work.show moreshow less
  • Seit einigen Jahrzehnten gibt es ein immer stärker werdendes Bedürfnis unserer älter werdenden Gesellschaft nach Arzneimitteln, welche individuell an die Bedürfnisse von Patient:innen angepasst sind. Die hier vorliegende Dissertation leistet einen Beitrag hinsichtlich der Entwicklung personalisierter Arzneiformen mit kontrollierter Wirk- stofffreisetzung. Grundlage der Untersuchungen ist die Simulation der zu erwartenden Diffusionseigenschaften dieser personalisierten Arzneiformen mit Hilfe computerge- stützter statistischer Methoden und die anschließende Anpassung geeigneter Modelle an experimentell gewonnene Daten. Dieser neuartige Ansatz ermöglicht die Verifizie- rung der aus experimentellen Daten ermittelten Parameter, wie dem Diffusionskoef- fizienten. Eine wesentliche Erkenntnis ist dabei, dass unter anderem die HomogenitätSeit einigen Jahrzehnten gibt es ein immer stärker werdendes Bedürfnis unserer älter werdenden Gesellschaft nach Arzneimitteln, welche individuell an die Bedürfnisse von Patient:innen angepasst sind. Die hier vorliegende Dissertation leistet einen Beitrag hinsichtlich der Entwicklung personalisierter Arzneiformen mit kontrollierter Wirk- stofffreisetzung. Grundlage der Untersuchungen ist die Simulation der zu erwartenden Diffusionseigenschaften dieser personalisierten Arzneiformen mit Hilfe computerge- stützter statistischer Methoden und die anschließende Anpassung geeigneter Modelle an experimentell gewonnene Daten. Dieser neuartige Ansatz ermöglicht die Verifizie- rung der aus experimentellen Daten ermittelten Parameter, wie dem Diffusionskoef- fizienten. Eine wesentliche Erkenntnis ist dabei, dass unter anderem die Homogenität der Probe, die Sorgfalt bei der Erhebung der Messdaten sowie die Berücksichtigung der Messumgebung einen größeren Einfluss auf die Validität des Diffusionskoeffizien- ten haben als die Wahl des Diffusionsmodells. Der experimentelle Teil dieser Arbeit umfasst die Entwicklung und Charakterisierung von wirkstoffbeladenen Polymerhar- zen, die Implantatherstellung sowie die pharmazeutische und physikalische Untersu- chung der Polymer-Wirkstoff-Implantate. Die Formulierung von Polymerharzen und deren Eignung für den 3D Druck sowie die Verwendung in pharmazeutischen Anwen- dungen, wird umfassend behandelt. Die Freisetzungseigenschaften und insbesondere der Einfluss der Maschenweite des Polymernetztes auf die Diffusionsgeschwindigkeit des Wirkstoffes in wässriger Lösung werden untersucht. Zudem wird die Herstellung von Polymerproben mittels UV-Photopolymerisation in einem hierfür entwickel- ten Formgussverfahren sowie mittels stereolithographischem 3D Druck vergleichend gegenübergestellt. Der Prozess der Aushärtung und die durch die unterschiedliche Herstellung resultierenden Polymereigenschaften werden dargestellt. Die wichtigs- ten Ergebnisse bei diesen Studien sind unter anderem die erfolgreiche Entwicklung einer Polymerharzmischung, deren Freisetzungs- und Quelleigenschaften mittels Mo- dellwirkstoff umfassend dargestellt werden können. Darüberhinaus wurde eine ange- passte Version dieses Harzes für die Verwendung des Testosteron-Wirkstoffes erreicht und eine Gegenüberstellung der beiden entwickelten Formulierungen zeigt deutlich die Limitierungen sowie Möglichkeiten der Übertragbarkeit beider Systeme. Zudem geben die Ergebnisse bezüglich der Diffusion von Wirkstoff aus dem Polymer sowie die Diffusion von Lösemittel in das Polymer und die dabei entstehende Volumenzu- nahme Aufschluss über den veränderten Grenzflächen-Diffusionswiederstand in 3D gedruckten Polymeren im Gegensatz zu gegossenen Polymeren. Diese Arbeit trägt somit zur Entwicklung personalisierter Arzneimittelformen bei und ebnet den Weg für die Herstellung von freisetzungskontrollierten Polymerharzimplantaten für zu- künftige Folgearbeiten.show moreshow less

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Metadaten
Author:Mi Steinbach
URN:urn:nbn:de:hbz:kob7-26130
DOI:https://doi.org/10.82549/opus4-2613
Place of publication:Koblenz
Referee:Björn Wolle, Richard Hirsch
Advisor:Björn Wolle, Richard Hirsch
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2025/12/05
Date of first Publication:2025/12/05
Publishing Institution:Universität Koblenz, Universitätsbibliothek
Granting Institution:Universität Koblenz, Fachbereich 3
Date of final exam:2025/11/14
Release Date:2025/12/05
Tag:diffusion simulation; personalized medicines; photopolymer resin
Page Number:xi, 144 Seiten
Institutes:Fachbereich 3 / Institut für Integrierte Naturwissenschaften / Institut für Integrierte Naturwissenschaften, Abt. Chemie
Licence (German):Es gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG
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