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Jun 05, 2023

Das Hoch

Während die Welt auf COVID-19-Impfstoffe wartet, stehen einige Pharmaunternehmen mit einer aufregenden Verbesserung bereit: bessere Fläschchen zur Aufnahme der Dosen. Bei den Fläschchen hat sich in den letzten 100 nicht viel verändert

Während die Welt auf COVID-19-Impfstoffe wartet, stehen einige Pharmaunternehmen mit einer aufregenden Verbesserung bereit: bessere Fläschchen zur Aufnahme der Dosen. Bei Fläschchen hat sich in den letzten 100 Jahren nicht viel verändert, aber 2011 beschloss Corning, etwas dagegen zu unternehmen. Sie begannen mit der Entwicklung eines alternativen Glases, das Beschädigungen standhält und Risse verhindert. Es heißt Valor-Glas und ist ein unglaublich starkes Material. Denken Sie an Gorilla-Glas für die medizinische Industrie.

Traditionell werden Arzneimittelfläschchen aus Borosilikatglas hergestellt, dem gleichen laborsicheren Material wie Pyrex von Corning. Borosilikatglas erhält seine Festigkeit durch die Zugabe von Bor. Obwohl Borosilikatglas ziemlich robust ist, bringt es einige Probleme mit sich. Jede Glasart ist nur so stark wie ihre Mängel, und Borosilikatgläser sind anfällig für einige besonders festigkeitsmindernde Mängel. Pharmazeutisches Glas muss extremen Temperaturen standhalten, von der hohen Hitze bei der Herstellung der Fläschchen bis hin zum bitterkalten Gefriertrocknungsprozess und den Lagertemperaturen, die die fragile virale RNA einiger COVID-19-Impfstoffe erfordert. Werfen wir einen Blick darauf, wie Valor-Glasfläschchen diese Herausforderungen meistern.

Das größte Problem bei Borosilikatfläschchen besteht über den Bruch hinaus darin, dass sie im Inneren zur Delaminierung neigen, was bedeutet, dass kleine Glasstücke im Inneren der Fläschchen abplatzen und das Arzneimittel verunreinigen. Während der Umwandlungsphase, in der lange Glasrohre abgetrennt und die Enden in Fläschchen verschlossen werden, verdampft Bor aus dem Glasnetzwerk und hinterlässt Natriumboratablagerungen auf der Innenseite des Rohrs. Wenn die Durchstechflasche mit Medikamenten gefüllt ist, lösen sich Elemente wie Natrium, Silizium und Kalium aus dem Glas und gelangen in die Lösung.

Corning gab Millionen von Dollar für eine eingehende Studie aus und kam zu dem Schluss, dass Bor selbst die Hauptursache für die Delaminierung war. Nachdem sie das Periodensystem durchforstet und verschiedene Elemente mit Siliziumdioxid vermischt hatten, kamen sie auf eine borfreie Alternative, die Aluminiumoxid für die Festigkeit verwendet.

Fläschchen durchlaufen mehrere Produktionsstufen vom Rohglas bis zur fertigen Dosis, und jede Stufe birgt die Möglichkeit einer Beschädigung. Chargen intravenös zu verabreichender Arzneimittel werden im Rahmen eines Prozesses namens Lyophilisierung hergestellt, bei dem es sich um einen dreistufigen Gefriertrocknungsprozess handelt. Medikamente dehnen sich während des Gefriertrocknungsprozesses unterschiedlich schnell aus und diese Ausdehnungen erzeugen zusätzliche Spannungen in den Fläschchen.

Ein weiteres Problem bei Borosilikatglas ist die Staubentwicklung in der Produktionslinie. Alle nebeneinander stehenden Fläschchen reiben auf ihrem Weg durch die Produktionslinie aneinander und erzeugen Partikel, die ganze Chargen ruinieren können. Valor-Glas verfügt über eine spezielle Beschichtung mit niedrigem Reibungskoeffizienten, die den Staub nahezu auf Null reduziert.

Das Beeindruckendste an Valor-Glas ist seine Stärke. In diesem Video zerbricht ein normales Borosilikatfläschchen unter einer Kraft von nur 20 kg. Aber dieses Superglas mit dem treffenden Namen kann einer Kraft von etwa 1.000 Pfund standhalten und ist damit fünfzigmal stärker als Borosilikatglas.

Nach dem Verarbeitungsprozess, bei dem die Glasröhrchen zu Fläschchen geschnitten und geformt werden, werden die Fläschchen zur Stabilisierung in ein Bad mit geschmolzenem Salz getaucht. Während dieses Prozesses tauschen Kaliumatome in der Sole mit Natriumatomen im Glas aus, und dieser Verstärkungsprozess verleiht Valor seine Stärke. Corning entwickelte dieses Verfahren ursprünglich für Gorilla-Glas – bekannt geworden durch seine Verwendung in kratz- und bruchfesten Smartphone-Bildschirmen – ein Material, das ähnlich herkulisch ist. Anschließend werden die Fläschchen gespült und mit einem Polymer beschichtet, das den Glasstaub beim Zusammenstoß der Flaschen deutlich reduziert.

Um die Festigkeit der Valor-Fläschchen zu messen, führte Corning umfangreiche Gefrier-Auftau-Tests durch, bei denen die Fläschchen innerhalb von etwa einer Minute von Raumtemperatur auf -100 °C abgekühlt wurden und die Fläschchen dann in der nächsten Minute wieder auf Raumtemperatur auftauen konnten zwölf Stunden. Sie verarbeiteten und füllten die Fläschchen mit Mannitol, einem Medikament, das sich während des Gefrier-Tau-Prozesses ziemlich aggressiv ausdehnt. Wenn Mannitol kristallisiert, erzeugt es eine hohe Ringzugspannung in den Fläschchen und macht sie anfällig für Risse und Brüche. Bei Valor-Fläschchen ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie unter Gefrier-Tau-Bedingungen brechen, „mindestens 40-mal geringer als bei Borosilikat-Fläschchen“ (PDF), da ihre Zusammensetzung und das geschmolzene Salzbad dazu beitragen, dass sie ihre Festigkeit während des gesamten Lyophilisierungsprozesses beibehalten.

Valor-Glas verfügt über Spannungs- und Druckschichten, und Risse, die in der Spannungsschicht auftreten, breiten sich nicht auf den Rest des Fläschchens aus, wie dies bei Borosilikatgläsern der Fall ist. Valor-Glas bricht immer noch mit ausreichender Kraft. Die Zusammensetzung und der Glühprozess verhindern also, dass Risse entstehen und sich in Brüche verwandeln.

Im Sommer erhielt Corning von der US-Regierung einen Zuschuss in Höhe von 204 Millionen US-Dollar, um die Produktion von Valor-Fläschchen im Rahmen der Operation Warp Speed-Initiative auszuweiten. Und sie sind nicht die Einzigen, die nach neuen Verpackungslösungen suchen. Ein anderes Unternehmen namens SiO2 Materials Science stellt ebenfalls eine Alternative zu Borosilikat her, nämlich einen Hybridbehälter – Kunststoff, der mit einer dünnen glasähnlichen Beschichtung ausgekleidet ist, der „die größten Bedenken von Glas und Kunststoff beseitigt, wenn diese Materialien allein verwendet werden“. Nun, wir brauchen alle Fläschchen, die wir kriegen können.