4D-PRODRUG

KURZ ERKLÄRT

4D-PRODRUG entwickelt intelligente, biobasierte Materialien aus Elastin-ähnlichen Proteinen (ELPs). Diese biohybriden Materialien reagieren gezielt auf äußere Reize wie Temperatur oder pH-Wert und können dadurch ihre Eigenschaften und Form verändern. Im 4D-Druck entsteht zunächst eine dreidimensionale Struktur, die sich anschließend zeitabhängig weiterentwickelt. So sollen neuartige Trägermatrices für Arzneistoffe entstehen, die eine kontrollierte Wirkstofffreisetzung ermöglichen und sich an unterschiedliche Anforderungen der Arzneiform anpassen lassen. Das Projekt verbindet biotechnologisch erzeugte Proteine, chemische Funktionalisierung und ein ultraschnelles, kontaktfreies 4D-Druckverfahren. Die Herstellungsprozesse werden umfassend datenbasiert dokumentiert, um reproduzierbare Materialien und Verfahren zu entwickeln und künftig auch KI-gestützte Analysen zu ermöglichen.

Schematische Darstellung des Verbundvorhabens: von der biotechnologischen ELP-Herstellung über chemische Funktionalisierung und 4D-Druck (Light-Sheet Laser-Writing) bis zur datenbasierten Analyse und Anwendung.

Illustration: Illustray

Warum es 4D-PRODRUG braucht

Der Bedarf an neuen funktionellen Materialien für Medizin und Pharmazie wächst stetig. Schwer lösliche, instabile oder sensorisch problematische Wirkstoffe benötigen biokompatible, skalierbare und patientenadaptierbare Systeme, die eine kontrollierte Freisetzung, Geschmacksmaskierung und reproduzierbare Verarbeitung ermöglichen. Konventionelle Materialien stoßen dabei zunehmend an Grenzen. Gefragt sind adaptive Materialien, die auf äußere Reize reagieren und damit neue Möglichkeiten für moderne Arzneiformen eröffnen.

Wie das Projekt vorgeht?

ELPs biotechnologisch erzeugen – Elastin-like Proteins (ELPs) werden als biobasierte Ausgangsmaterialien hergestellt.
Biohybride ELPs funktionalisieren – Durch gezielte chemische Modifikation entstehen biohybride ELPs (bELPs) mit steuerbaren physikochemischen Eigenschaften.
Reizresponsive Trägermatrices entwickeln – Die Materialien sollen auf Temperatur oder pH-Wert reagieren und Wirkstoffe kontrolliert freisetzen.
4D-Druck mit LSLW einsetzen – Die Materialien werden in einen kontaktfreien, Light-Sheet-Laser-Writing(LSLW)-basierten Hochdurchsatzprozess überführt. Neben der räumlichen Struktur werden dabei auch zeitabhängige Materialveränderungen nutzbar.
Daten erfassen und aufbereiten – Prozess- und Materialdaten werden systematisch dokumentiert, um Reproduzierbarkeit zu unterstützen und eine Grundlage für spätere KI-gestützte Analysen zu schaffen.

Was daran neu ist?

Die Innovation liegt vor allem in der Verbindung mehrerer Ansätze: biotechnologisch erzeugte, biohybride ELP-Materialien werden chemisch funktionalisiert und anschließend mit dem kontaktfreien Light-Sheet Laser Writing verarbeitet. So soll ein modulares Materialsystem entstehen, das einen biobasierten und nachhaltigeren Materialzugang, biologische Verträglichkeit, anpassbare Funktionen und die Perspektive einer prozesstechnischen Weiterverarbeitung zusammenführt. Die zeitabhängigen Veränderungen der gedruckten Strukturen machen dabei den 4D-Charakter des Ansatzes aus.

Perspektivisch kann die Technologie neue Wege für die Formulierung anspruchsvoller Wirkstoffe eröffnen. Darüber hinaus sollen sich die entwickelten Konzepte auf die regenerative Medizin und die funktionale Biomaterialforschung übertragen lassen. Die systematische Erfassung von Material-, Prozess- und Testdaten unterstützt zugleich datengetriebene Materialforschung und kann den Aufbau nutzbarer Materialdatenräume fördern.

Wer arbeitet mit?

Koordination · ELP-Biomaterialien · Zellbiologie

Goethe-Universität Frankfurt

Projektkoordination sowie Entwicklung und Funktionalisierung der ELP-Biomaterialien am Institut für Pharmazeutische Technologie; zellbiologische Verträglichkeitstestung am Institut für Zellbiologie und Neurowissenschaften

Modellierung · Datenanalyse · KI

Frankfurt Institute for Advanced Studies

Modellierung des Materialverhaltens sowie KI-gestützte Auswertung der Material- und Prozessdaten

Skalierung · Verfahrenstechnik · Industrietransfer

Glatt GmbH

Überführung des 4D-Druckprozesses in industrienahe Verfahren und Skalierung bis zur Anwendungsreife