Auswahl Der Richtigen Antriebslösung Für Vorrichtungen Zur Verabreichung Biologischer Präparate

Auswahl Der Richtigen Antriebslösung Für Vorrichtungen Zur Verabreichung Biologischer Präparate

ÜBERSICHT

Gemäß Definition handelt es sich bei biologischen Präparaten um Arzneimittel, die aus Proteinen und/oder Derivaten bestehen, welche das Immunsystem modulieren, entzündliche Reaktionen herunter regulieren oder tumorspezifische Abwehr unterstützen. Ein typisches Arzneimittel wird mithilfe von chemischer Synthese hergestellt, das heißt, spezifische chemische Bestandteile werden in einem geordneten Prozess kombiniert. Hingegen besteht ein biologisches Präparat aus einem lebenden Organismus, wird mit Biotechnologie in einem lebendigen System (z. B. einem Mikroorganismus) hergestellt und hat die Aufgabe, die Art und Weise der Immunreaktion zu ändern. 

iologische Medikamente, wie Antikörper, Interleukine und Impfstoffe, werden für die Behandlung verschiedenster Krankheiten und Störungen genutzt und stellen die fortschrittlichste derzeit verfügbare Therapieform dar. Diese biologischen Präparate haben die Behandlung von Krebs revolutioniert, konnten den Verlauf von immunologischen Erkrankungen verzögern oder sogar umkehren, haben das Leben von Menschen mit seltenen Krankheiten komplett verändert und bieten Hoffnung für zahlreiche Patienten, denen bislang keine wirksame Behandlungsmöglichkeit zur Verfügung stand.

Biologische Präparate sind komplexer, weisen ein höheres molekulares Gewicht auf als traditionelle, aus kleinen Molekülen bestehende, chemische Arzneimittel und sind daher sehr dickflüssig. Deren Komplexität erhöht die Kosten, Herausforderungen und Risiken bei der Entwicklung und Herstellung. Das Einspritzprofil ist für die korrekte Verabreichung des Arzneimittels von entscheidender Bedeutung, weshalb der entsprechende Mechanismus 
eine zentrale Rolle spielt. Der Mechanismus für die Verabreichung beruht auf einer Antriebslösung, die folglich den treibenden Faktor bei der Geräteentwicklung darstellt.

Bei der Wahl der Antriebslösungen für Injektionsgeräte kommt es auch darauf an, wie und wo Arzneimittel verabreicht werden sollen. Es gibt 3 Methoden zur Injektion von Arzneimitteln in den Körper des Patienten (Abbildung 2).

Intravenös - Die intravenöse Verabreichung (auch als Infusionstherapie bezeichnet) ist ein medizinisches Verfahren, bei dem Arzneimittel direkt in die Vene des Patienten gespritzt werden. Diese Methode weist Einschränkungen auf, da biologische Arzneien mit höherer Viskosität hierbei eine Herausforderung darstellen.
Subkutan - Das subkutane Gewebe liegt zwischen der Fettschicht direkt unter der Haut und über dem Muskelgewebe. Hier befinden sich nur wenige Blutgefäße, weshalb diese Methode für Arzneimittel verwendet wird, die langsame, anhaltende Absorptionsraten erfordern. Die Arzneien werden langsamer aufgenommen als bei der intramuskulären Injektion.
Intramuskulär - Die intramuskuläre Verabreichung wird generell bevorzugt, da die Blutgefäße in Muskeln größer und in höherer Zahl vorhanden sind als im subkutanen Gewebe, sodass Arzneimittel schneller absorbiert werden.

Basierend auf diesen drei Methoden gibt es primär drei Gerätetypen für die Injektion von Arzneimitteln (Abbildungen 3 und 4):

Einwegartikel:Wie der Name schon sagt, können diese Vorrichtungen nur einmal verwendet werden. Sie sind für eine spezifische Medikamentenapplikation konzipiert. Die Verabreichungsdauer des Medikaments kann zwischen wenigen Sekunden und mehreren Tagen liegen, weshalb hier kostenoptimierte Lösungen erforderlich sind. Beispiele umfassen mechanische Injektoren und Einweg-Patch-Pumpen. Patch-Pumpen werden direkt am Körper getragen und verfügen über einen Behälter, einen Pumpenmechanismus und ein Infusionsset in einem kleinen Gehäuse.
Begrenzte Nutzung: Eine motorisierte Lösung kann verwendet werden, um mehrere Patronen mit biologischen Arzneimitteln im Laufe einer Therapie zu verabreichen. Ein Vorteil besteht in der Trennung von Medikamenten- und Pumpeneinheit, da die Medikamenteneinheit für den einmaligen Gebrauch bestimmt ist, während die Pumpeneinheit wiederverwendet werden kann.
Wiederverwendbare Pumpe: Diese Geräte sind robuster, widerstandsfähiger und langlebiger. Sie sind für die Verabreichung von Arzneimitteln unterschiedlicher Viskosität über eine Plattform konzipiert und unterstützen ein breiteres Spektrum an Behandlungen.

TECHNISCHE VORAUSSETZUNGEN FÜR DIE ANTRIEBSLÖSUNG DES INJEKTIONSGERÄTS

Tabelle 1. Wesentliche Leistungsparameter verschiedener Vorrichtungen für die Verabreichung biologischer Medikamente

Wiederverwendbare Pumpen für biologische Präparate stellen hohe Ansprüche an deren Antriebslösung. Diese Gerätetypen erfordern eine hohe axiale Kraftausgabe von bis zu oder sogar über 100 N, wobei diese lineare Kraft aufgrund der höheren Viskosität von biologischen Präparaten notwendig ist. Wenn verschiedene biologische Arzneimittel auf einer Plattform unterstützt werden sollen, muss die Pumpe in der Lage sein, Arzneien mit hoher Viskosität zu verabreichen, während auch bei Arzneien mit niedriger Viskosität hohe Präzision gewahrt bleibt. Da es sich hierbei um tragbare Geräte handelt, stellen Größe und Gewicht wichtige Faktoren dar. Eine hochwertige Antriebslösung für Vorrichtungen zur Verabreichung biologischer Präparate weist in der Regel einen Außendurchmesser zwischen 10 und 12 mm auf. 

Die Pumpe muss jedoch nicht nur die richtige Kraft und Größe bieten, sondern muss auch robust und widerstandsfähig sein. Produktgewährleistungen gelten meist für 2 bis 5 Jahre und erfordern daher eine Antriebslösung mit der passenden Größe, die vom Betriebsbeginn bis zum Ende der Nutzungsdauer die gleiche Genauigkeit gewährleistet. Der Konstrukteur bestätigt einen Vertrauensfaktor der Antriebslösung von >90 % zur Gewährleistung der erforderlichen Lebensdauer. 

Zusätzliche Faktoren, die bei der Auswahl einer Antriebslösung zum Tragen kommen, sind Rückführung, Wiederholbarkeit und Lagerbedingungen. Ein Encoder meldet, dass die Antriebslösung das Medikament verabreicht hat, um den Erfolg der Behandlung sicherzustellen. Zudem wird mit dem Encoder bei jeder Verwendung die korrekte inkrementelle Verabreichung gewährleistet. Biologische Präparate können unterschiedliche Lageranforderung aufweisen, wobei einige vermutlich eine Kühllagerung erfordern. Aus diesem Grund müssen der Motor und das Getriebe über längere Zeit niedrigeren Temperaturen und Luftfeuchtigkeit standhalten können.

Im Allgemeinen eignen sich bürstenlose Gleichstrommotoren oder kernlose Bürsten-Gleichstrommotoren (mit Stromwendern aus Edelmetall) am besten für diese Gerätetypen. Ein Stirnradgetriebe oder ein kundenspezifisches Getriebe liefert hervorragende Drehmoment-/Kraftdichte auf kleinstmöglichem Raum. 

Vorrichtungen für die Verabreichung biologischer Präparate mit begrenzter Nutzung stellen einen neuen Trend in der Pharmaindustrie dar. Anders als Langzeitgeräte bietet ein begrenzt verwendbares Gerät für die Verabreichung biologischer Arzneien gemessen am Pumpenpreis Flexibilität bezüglich Leistung und Lebensdauer. Diese Vorrichtungen sind normalerweise für ein einziges biologisches Präparat oder eine begrenzte Anzahl von Arzneimitteln konzipiert. Daher unterscheiden sich die Anforderungen an die Antriebslösung bezüglich Kraft und Größe möglicherweise von denen für wiederverwendbare Geräte. 

Eine Antriebslösung mit einem Kraftbereich von 50 bis 80 N reicht für gewöhnlich aus. Diese Geräte sind akkubetrieben, weshalb die Leistungsfähigkeit hier eine große Rolle spielt. Kernlose Bürsten-Gleichstrommotoren mit Stromwendern aus Edelmetall können die höheren Anforderungen an die Akkulebensdauer problemlos erfüllen und liefern zudem hohe Leistungsdichte und Zuverlässigkeit. Ein Stirnradgetriebe oder ein kundenspezifisches Getriebe ist eine optimale Lösung für die begrenzte Nutzung in Biologika-Anwendungen. 

Einweggeräte für die Verabreichung von biologischen Präparaten können nicht wiederverwendet werden. Die Forschung und Entwicklung im Bereich der Technologien für die Verabreichung von Arzneien schreitet stetig voran, sodass auch die Motortechnologie entsprechend Schritt halten muss. Diese Vorrichtungen können nur für ein spezifisches Arzneimittel verwendet werden, weshalb eine optimierte Antriebslösung den Schlüssel für die Produktion dieser hochvolumiger Seriengeräte darstellt.

Es stehen viele Antriebslösungen als gute Wahl für diese Art der Anwendung zur Verfügung. Einige der am besten geeigneten Motortechnologien sind Can-Stack-Motoren und Bürsten-Gleichstrommotoren, wobei jedoch auch alternative Aktuatortechnologien eine gute Lösung darstellen können. Can-Stack-Motoren und Bürsten-Gleichstrommotoren sind ausgereifte Technologien, die Vorteile gegenüber nicht konventionellen Aktuatoren versprechen, da diese komplexe Antriebselektronik für den Betrieb benötigen. 

Die Einschaltdauer solcher Anwendungen ist begrenzt und reicht von einigen Sekunden bis hin zu wenigen Stunden. Basierend auf den Anforderungen eignen sich zuverlässige, kostenoptimierte Antriebslösungen am besten für diese Art von Anwendungen.

AKTUELLE HERAUSFORDERUNGEN BEI DER VERABREICHUNG BIOLOGISCHER ARZNEIMITTEL

In unserem modernen Zeitalter erreichen neue und innovative Arzneimittelformulierungen gerade einen Höchststand. Im Vergleich zu intravenös verabreichten Arzneien müssen diese Medikamente subkutan oder intramuskulär verabreicht werden. Bei den kürzlich entwickelten biologischen Präparaten handelt es sich jedoch um komplexe Arzneien, deren molekulares Gewicht bis zu 150,000 Da (Dalton) erreichen kann. Das molekulare Gewicht von biologischen Arzneimitteln ist im Vergleich zum Gewicht einiger synthetisierter Arzneimittel (einige tausend Dalton) also relativ hoch. Aus diesem Grund sind die biologischen Arzneien um einiges dickflüssiger, was wiederum eine Herausforderung für die Konstruktion der Vorrichtung für deren Verabreichung darstellt.

Tabelle 2. Technologie und wesentliche Leistungsparameter für Antriebslösungen für verschiedene Vorrichtungen zur Verabreichung biologischer Präparate 

Wie bei den biologische Arzneimitteln handelt es sich auch bei den Vorrichtungen für deren Verabreichung um Marktneuheiten, die ständig verbessert werden. Derzeit müssen Vorrichtungen zur Verabreichung von biologischen Präparaten insbesondere die folgenden Herausforderungen meistern:

Fähigkeit, Arzneimittel mit höherer Viskosität zu verabreichen
Verabreichung einer hohen Menge an Arzneimitteln
Präzisere Verabreichung
Kostenoptimierte Lösung, damit diese Methode einem größeren Bevölkerungsanteil zur Verfügung steht

Einige dieser Herausforderungen können mithilfe der in Tabelle 2 beschriebenen Antriebslösungen bewältigt werden:

Höhere Leistungsdichten von Motoren mit und ohne Bürsten sowie Getriebe mit höherem Übersetzungsverhältnis zur Handhabung von dickflüssigeren Arzneimitteln (>50 Cp)
Die Leistungsdichte unterstützt die Verabreichung eines höheren Volumens an Arzneien bei geringerer Größe (10 bis 50 ml)
Absolut-Encoder-Technologie trägt zur genauen Überwachung der Arzneimittelverabreichung bei (Auflösung 3−5 um)
Zuverlässige Motoren und Getriebe gewährleisten lange Lebensdauer und sichere Therapien im eigenen Heim

ANTRIEBSLÖSUNGEN FÜR VORRICHTUNGEN ZUR VERABREICHUNG BIOLOGISCHER ARZNEIMITTEL

Wie bereits erwähnt, sind Antriebslösungen für den Mechanismus zur Verabreichung der wichtigste Aspekt bei der Konstruktion des Geräts. Dem Konstrukteur stehen verschiedene Optionen für Motor- und Getriebetechnologien zur Verfügung, was die Vorauswahl erschwert. Wir möchten diese Aufgabe einfacher gestalten, indem wir die wichtigsten Leistungsparameter detailliert beschreiben und noch einmal darauf eingehen, wie die verschiedenen Technologien diese Parameter erfüllen.

Drehmoment/Leistung – Sämtliche Technologien bieten die Möglichkeit, ein Drehmoment zu erzeugen, aber die interne Konstruktion liefert verschiedene Leistungsumfänge. Genutete BLDC-Konstruktionen liefern ein höheres Abtriebsdrehmoment als nutenlose BLDC-Motoren, da sie mehr Kupfer und Magneten aufweisen. Unter den Schrittmotoren sorgen hybride Designs für das höchste Drehmoment.

Drehzahl –Das Arzneimittel bestimmt die Dauer und die Flussrate für die jeweilige Therapie und die Drehzahl des Geräts 
muss entsprechend eingestellt werden. Hohe Drehzahlen können mit bürstenlosen Gleichstrommotoren und Scheibenmagnet-Schrittmotoren erreicht werden, mittlere Drehzahlen werden von Bürsten-Gleichstrommotoren erbracht und für niedrige Drehzahlen sind Schrittmotoren am besten geeignet. Es muss zudem berücksichtigt werden, dass ein zusätzliches Getriebe zur Erhöhung des Abtriebsdrehmoments die Drehzahlanforderungen an den Motor im entsprechenden Verhältnis erhöht.

Wirkungsgrad – Da diese Geräte von einem Akku angetrieben werden, ist ein hoher Wirkungsgrad erforderlich, um die Größe des Akkus so gering wie möglich zu halten. Kernlose Bürsten-Gleichstrommotoren und nutenlose, bürstenlose Gleichstrommotoren eignen sich aufgrund ihrer Rotorausführung bestens zur Erhöhung des Wirkungsgrads.

Zuverlässigkeit– Das Gerät stellt spezifische Anforderungen an die Lebensdauer, basierend auf der erforderlichen Anzahl der Behandlungen. Die wesentlichen Technologiefaktoren, die sich auf die Lebensdauer des Motors auswirken, sind Kommutation und Lagersysteme. Bürsten-Gleichstrommotoren verfügen über eine mechanische Kommutation, was bedeutet, dass die Motorlebensdauer vom Verschleiß der Bürsten abhängt. Bürstenlose Gleichstrommotoren und Schrittmotoren nutzen elektrische Kommutation, die potenziell eine höhere Lebensdauer des Motors ermöglicht. Die Lager sind ein weiterer Aspekt, der sich auf die Motorlebensdauer auswirkt, wobei Kugellager eine längere Lebensdauer gewährleisten als Gleitlager. Beide Lagerversionen sind verfügbar, allerdings bieten einige Motortechnologien diese als Standard, während andere kundenspezifisch angepasst werden müssen.

Gewicht – Diese Geräte sind tragbar, weshalb sich das Gewicht der Antriebslösung entscheidend auf den Komfort des Patienten auswirkt. Kernlose Bürsten-Gleichstrommotoren sind die beste Wahl, was das Gewicht angeht.

Kosten – Jede Technologie weist basierend auf der Konstruktion ein anderes Kostenprofil auf. Das Gerät und die jeweilige Therapie bestimmen ein Kostenprofil für die Akzeptanz auf dem Markt, weshalb ein Verständnis der Kostentreiber für die einzelnen Technologien von Nutzen ist.

Tabelle 3. Vergleich von wesentlichen Leistungsparametern verschiedener Antriebstechnologien

Die obenstehende Tabelle zeigt einen Vergleich verschiedener Motortechnologien und deren Stärken bezüglich wichtiger Parameter. Diese Leitlinien liefern einen Bezugsrahmen für Konstruktionstechniker, die eine neue Vorrichtung für die Verabreichung von Arzneimitteln entwickeln möchten. Der erste wesentliche Schritt besteht darin, einen Anbieter von Antriebslösungen zu finden, sobald mit der Geräteentwicklung begonnen wird.

ZUSAMMENFASSUNG

Es werden mehr und mehr biologische Präparate entwickelt, die sich teilweise bereits kurz vor der Markteinführung befinden. Bei der Konzipierung der bestmöglichen Vorrichtung für die Verabreichung von Arzneimitteln empfiehlt sich eine enge Zusammenarbeit zwischen Geräteentwickler und Antriebsanbieter. Je nach Art der Biotherapie müssen sich Konstrukteure verschiedenen Herausforderungen bei der Erfüllung der jeweiligen Geräteanforderungen stellen. Deshalb profitieren sie von der frühen Interaktion mit einem Antriebsanbieter, der sie bei der Ermittlung der passenden Motortechnologie sowie des entsprechenden Zubehörs unterstützen und so für die optimale Lösung sorgen kann. 

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Abbildung 1. Wirkstoffmolekül für biologische Präparate (links) und traditionelle Arzneimittel (rechts)
Abbildung 2. Methoden und Vorrichtungen für die Injektion von biologischen Präparaten
Abbildung 3. Vorrichtungen für die Verabreichung von Arzneien für einmalige (links) und begrenzte (rechts) Nutzung
Abbildung 4. Übersicht über wiederverwendbare Injektionsgeräte für Arzneien