Personalisierte Medizin mit intelligenteren Pflastern

Funktionale Polymere eröffnen neue Möglichkeiten in der personalisierten Medizin. Ein interdisziplinäres Stuttgarter Team arbeitet hierfür an neuen Materialklassen und kombiniert das Know-how aus Mechanik und Chemie.

Pflaster, die Hormone oder Schmerzmittel abgeben, sind medizinischer Alltag. Aufgeklebt auf die Haut, dienen sie als Reservoir für den Wirkstoff, der nach und nach in den Körper übergeht. Diese Wirkstoffaufnahme über die Haut wird künftig weiter an Bedeutung gewinnen, um Krankheiten oder Wunden zu behandeln. 

Mit intelligenteren Pflastern wäre es möglich, noch gezielter zu behandeln und die Medizin letztlich weiter zu personalisieren. So ließe sich besser auf die spezifischen Bedürfnisse einzelner Patientinnen und Patienten eingehen. Um diesem Ziel näher zu kommen, gibt es viele Ansatzpunkte. Einer davon sind Funktionspolymere – und hier kommen Prof. Sabine Ludwigs und Prof. Holger Steeb von der Universität Stuttgart ins Spiel. Ludwigs ist Inhaberin des Lehrstuhls für Struktur und Eigenschaften Polymerer Materialien am Institut für Polymerchemie, Steeb Professor für Kontinuumsmechanik und Direktor des Instituts für Mechanik (Bauwesen). „Wir entwickeln eine neue Materialklasse von Polymeren, die wichtige Eigenschaften für künftige Anwendungen in der personalisierten Medizin aufweist“, sagt Ludwigs. „Die Stärke unseres Ansatzes ist, dass wir unser Know-how aus Mechanik und Chemie in dieser Forschung kombinieren.“

Dass Polymere überhaupt von Bedeutung für die Medizin der Zukunft sind, mag im ersten Moment erstaunen. Schließlich spielen Polymere im Alltag vor allem als Kunststoffe eine Rolle. Aber so wie es Polymere gibt, die in Plexiglas oder Autoreifen stecken, kommen andere zum Beispiel in den Hüllen von magensaftresistenten Kapseln zum Einsatz. Je nach Verwendungszweck sind sie sehr unterschiedlich. Gemeinsam ist jedoch allen Polymeren, dass es sich um riesige Moleküle handelt, die aus sehr vielen, sich wiederholenden Atomgruppen bestehen. Oft bilden sich aus den einzelnen langen Polymerketten miteinander verschlungene Strukturen, die ein bisschen an das Durcheinander eines Tellers Spaghetti erinnern und die durch geschickte Chemie vernetzt werden können. Die Teams von Ludwigs und Steeb interessieren sich für sogenannte funktionalisierte Polymere, die biokompatibel sind, also einem Organismus durch ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften nicht schaden. Genauer: „Wir suchen biokompatible Polymere, die für die Pharmazie interessant sind“, sagt Ludwigs. 

In Polymernetzwerke lassen sich nämlich medizinische Wirkstoffe einlagern, die dann nach und nach kontrolliert an den Körper abgegeben werden – immer gerade so viele, wie dieser braucht. Die Stuttgarter Teams arbeiten bei ihrer Forschung mit Pharmazeutinnen und Pharmazeuten um Prof. Dominique Lunter und Prof. Stefan Laufer von der Eberhard Karls Universität Tübingen zusammen. „Der traditionelle Ansatz der Pharmazie ist die Verwendung von Polymeren, welche in Arzneibüchern als zugelassene Polymere gelistet sind, und mit diesen dann zu experimentieren“, erklärt Ludwigs. Oft sind diese Polymere in ihrem Anforderungsprofil allerdings limitiert. Ludwigs und Steeb wählen daher einen anderen Ansatz.

„Reize können zum Beispiel Änderungen im pH-Wert, in der Feuchtigkeit oder in der Temperatur sein“, verdeutlicht Ludwigs. Reagiert ein Polymer zum Beispiel auf Feuchte, kann es viele Wassermoleküle aufnehmen, ohne dass es seine strukturellen Eigenschaften verliert. Im Polymernetzwerk laufen solche Änderungen autonom ab, wenn ein definierter Wert des Reizes erreicht ist. „Es ist aber auch möglich, die Veränderung des Polymernetzwerks von Hand durch einen äußeren Reiz auszulösen, zum Beispiel durch das Einschalten eines schwachen elektrischen Felds.“ Dazu muss ein geeignetes Polymer elektrisch leitfähig sein.

Ludwigs’ Team stellt zunächst vielversprechende Polymere im Labor her. Sie müssen nicht nur die gewünschte Funktionalisierung aufweisen, sondern auch bestimmte elastische Anforderungen erfüllen, da sie im späteren pharmazeutischen Produkt dauerhaft auf der Haut haften sollen, auch wenn der Mensch sich bewegt. Ob das die neu kreierten Polymere leisten, untersucht Steebs Team, indem es die Polymerproben unter Zug mechanisch charakterisiert. „So ermitteln wir die viskoelastischen Eigenschaften“, sagt Steeb. „Wenn es zum Beispiel darum geht, dass ein Polymer Feuchte aufnehmen soll, können wir unsere Messung unmittelbar während der Einlagerung der Wassermoleküle durchführen.“ Um die Messungen überhaupt zu ermöglichen, bedarf es einigen Know-hows. „Oft sind die Polymerproben so klein oder so fragil, dass wir sie nicht einfach wie eine metallische Probe in eine Prüfmaschine einspannen können“, erklärt Steeb. „Manchmal muss man die kontrollierte Krafteinwirkung zum Beispiel durch Aufrollen der Probe erzeugen.“ 

Ludwigs und Steeb kooperieren bei diesem Thema nun seit rund vier Jahren. Funktionale Polymere sind ein umfassendes und weltweit intensiv bearbeitetes Forschungsfeld. „Unser Alleinstellungsmerkmal ist die enge Verzahnung von Chemie und Ingenieurwesen“, sagt Steeb. Und die ist nun noch enger geworden: Anfang des Jahres ist das interfakultäre Functional Soft Materials Lab in Betrieb gegangen. „So rücken unsere Teams im Arbeitsalltag noch enger zusammen“, sagt Ludwigs. Angesiedelt ist das Labor am Stuttgart Center for Simulation Science (SC SimTech), dessen wissenschaftlichem Leitungsteam Steeb angehört. Die Zusammenarbeit von Ludwigs und Steeb endet nicht bei den funktionalen Polymeren als Auslöser für die Wirkstoffgabe. Funktionale Polymere sind auch beim künftigen 3D-Druck für eine personalisierte Tumortherapie gefragt, so Steeb. „Auch beim 3D-Druck kommt es auf die Rheologie der Polymere an, um eine optimale Funktionalität zu bekommen.

Text: Michael Vogel