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.…


- 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.…


| 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 |

