3D-tulostetut biomateriaalit lääkkeen annostelijointa – mikä vaikuttaa vapautumiseen?
Biologisten lääkeaineiden tarkka ja hallittu vapautuminen 3D-tulostetuista biomateriaali-implanteista on lupaava ratkaisu yksilölliseen lääkehoitoon. Vapautumiseen vaikuttaa kuitenkin moni tekijä – materiaalin ominaisuuksista itse lääkeaineeseen.
Kun lääkettä halutaan vapauttaa elimistöön hitaasti ja paikallisesti, perinteiset tablettimuodot eivät aina riitä. Tällöin apuun tulevat uudenlaiset lääkkeenannostelumenetelmät, kuten biologisesti yhteensopivista materiaaleista valmistetut 3D-tulostetut implantit. Näiden avulla lääke voidaan kohdistaa suoraan halutulle alueelle esimerkiksi tulehduksen tai kudosvaurion hoidossa.
Yksi suurimmista haasteista on hallita, millä nopeudella ja tavalla lääke vapautuu implantista. Vapautumisnopeudella on suora vaikutus lääkeaineen tehoon. Tässä kohtaa materiaalin valinnalla, rakenteella ja valmistustavalla on suuri merkitys.
Mikä vaikuttaa lääkeaineen vapautumiseen?
3D-tulostetut lääkeimplantit valmistetaan usein biomateriaaleista, jotka muistuttavat kehon omaa kudosta. Yksi suosituimmista materiaaleista on alginaattihydrogeeli. Alginaatti on bioyhteensopiva materiaali ja sitä saadaan uutettua ruskealevistä. Hydrogeelit puolestaan ovat geelimäisiä materiaaleja, jotka koostuvat verkkomaisesta polymeerirakenteesta. Verkkomaisen rakenteensa ansiosta hydrogeelit voivat imeä itseensä suuren määrän nestettä, säilyttäen rakenteensa. Kun tähän geelimäiseen rakenteeseen yhdistetään lääkeaine, syntyy lääkettä sisältävä implantti.
Lääkeaineen vapautumiseen vaikuttavat muun muassa seuraavat tekijät:
- Materiaalin huokoisuus ja tiheys
- Kappaleen koko ja muoto
- Lääkeaineen jakautuminen geeliin
- Ympäröivän nesteen ominaisuudet
Mitä tiiviimpi ja vähemmän huokoinen geeli on, sitä hitaammin lääkeaine pääsee ulos. Alginaatti kovetetaan usein ristisilloittamalla kalsiumioneilla, jolloin hydrogeelin rakenne lujittuu. Implantin pinta-alalla on myös vaikutusta vapautumisnopeuteen. Suuremman pinta-alan omaava implantti voi vapauttaa lääkeainetta nopeammin. Myös ympäröivän nesteen pH vaikuttaa molekyylien liukoisuuteen ja vuorovaikutuksiin geelin sisällä. Jos lääke ei jakaudu tasaisesti tulostettuun materiaaliin, sen vapautuminen voi olla epätasaista. Tulostustapa ja sekoitusmenetelmät ennen tulostusta vaikuttavat lääkeaineen jakautumiseen geelissä.
Vapautumismekanismit
Biomateriaaleista tapahtuva lääkeaineen vapautuminen perustuu usein diffuusioon, eli siihen, että lääkemolekyylit siirtyvät geelin sisäosista korkeammasta pitoisuudesta kohti ympäröivää nestettä, jossa vallitsee alhaisempi pitoisuus. Vapautumisen alkuvaiheessa havaitaankin usein nopeaa vapautumista. Tätä alun vapautumista kutsutaan nimellä ”burst release”. Tällöin suuri osa lääkeaineesta liukenee nopeasti, jo ensimmäisten tuntien tai vuorokausien aikana. Kun geelin ja ympäristön välinen pitoisuusero tasoittuu, vapautumisnopeus alkaa hidastua, ja jäljelle jäävä lääkeaine vapautuu hitaammin.
Toinen mahdollinen vapautumismekanismi on biomateriaalin liukeneminen, jolloin lääkeainetta vapautuu sitä mukaa, kun geelin rakenne hajoaa nesteessä. Tämä on tyypillistä erityisesti sellaisille materiaaleille, jotka eivät ole pysyviä rakenteita, vaan suunniteltu hajoamaan ajan kuluessa kehon olosuhteissa. Tällöin vapautuminen ei perustu pelkästään diffuusioon, vaan lääkeaine vapautuu lisäksi myös materiaalin hajotessa.
Näiden kahden mekanismin välillä on selkeitä eroja:
- Diffuusioperusteinen vapautuminen voi tapahtua, vaikka materiaali pysyy rakenteeltaan ennallaan. Tämä mahdollistaa pidemmän ja tasaisemman vapautumisjakson.
- Liukenemiseen perustuva vapautuminen on usein nopeampaa, koska lääkeaine vapautuu sitä mukaa kuin materiaali hajoaa ja liukenee. Tämä voi olla hyödyllistä lyhytkestoisessa hoidossa, mutta haastavaa, jos halutaan pitkäaikainen ja kontrolloitu vaikutus.
Käytännössä monet biomateriaalit vapauttavat lääkeainetta molempien mekanismien kautta: ensin tapahtuu nopea diffuusio pinnalta ja geelin huokosista, ja myöhemmin vapautuminen jatkuu diffuusion ja materiaalin asteittaisen liukenemisen kautta. Vapautumiskäyttäytymiseen voidaan vaikuttaa esimerkiksi säätämällä geelin koostumusta, ristisilloituksen määrää ja lääkeaineen jakautumista rakenteen sisällä. Näin voidaan suunnitella lääkkeen vapautumisprofiili tarkasti halutun hoitotarpeen mukaan.
Miksi tällä on merkitystä?
3D-tulostetut implantit tarjoavat yksilöityä lääkkeenannostelua potilaskohtaisesti mutta vain, jos vapautumista voidaan hallita luotettavasti. Tällaiset implantit voisivat tulevaisuudessa vähentää esimerkiksi leikkausten tarvetta tai mahdollistaa syöpälääkkeen tarkan kohdistuksen ilman haittavaikutuksia muille kudoksille. Vapautumista säätelemällä voidaan vaikuttaa myös hoidon kestoon ja tehoon.
Jatkossa on tärkeää kehittää menetelmiä, joilla lääkeaine saadaan sitoutumaan materiaaliin ja vapautumaan tasaisesti. 3D-tulostus yhdistettynä bioyhteensopiviin materiaaleihin on tulevaisuutta, jossa yksilöllinen hoito kohtaa teknologian mahdollisuudet.
Lähteet
Artikkelikuva: https://www.cellgs.com/blog/hydrogels-for-3d-bioprinting.html
Jalo, N. 2025. 3D-tulostettujen alginaatti-implanttien geometrian vaikutus nisiinipeptidin vapautumisprofiiliin – Theseus. Turun ammattikorkeakoulun opinnäytetyö.