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3D打印技术在药学领域的应用现状

https://www.cphi.cn   2019-11-11 13:19 来源:CPhI万博manbetx客户端在线 作者:小泥沙

目前,在制剂领域中使用的3D打印技术主要有熔融沉积成型(FDM)技术、选择性激光烧结(SLS)技术、立体光刻(SLA)技术及热喷墨打印(TIJ)技术。其中FDM 技术在制剂领域应用最为广泛,商业化的 FDM 打印机和打印软件多用于片剂及缓、控释制剂的制备。

       3D打印技术在药学领域的应用现状

       近年来,3D打印技术在药物制剂打印方面取得了一定的成果,其中片剂、缓控释制剂和药物转运等方面成为研究热点。2015年8月,由 Aprecia 公司设计的第一个3D打印药物 Spritam( 左乙拉西坦) 速溶片被 FDA 批准上市。该药物基于其公司开发的 ZipDose 3D打印技术平台制得,利用 ZipDose 技术制备的左乙拉西坦速溶片具有多孔特性,在水中的扩散程度远远大于传统的片剂,且只需要一小口水即可溶化。

       目前,在制剂领域中使用的3D打印技术主要有熔融沉积成型(FDM)技术、选择性激光烧结(SLS)技术、立体光刻(SLA)技术及热喷墨打印(TIJ)技术。其中FDM 技术在制剂领域应用最为广泛,商业化的 FDM 打印机和打印软件多用于片剂及缓、控释制剂的制备。

       3D打印制剂的药用辅料

       3D打印固体制剂的基本原理是熔融挤出,沉积成型,但是并不是所有的熔融原料都适用药用制剂中。3D打印药物制剂中的挤出耗材必须是人体食入无害或容易被人体排泄的,所以对材料的要求比较高。常见的有共聚维酮VA64和AffinisolTM15混合物、羟丙基甲基纤维素、聚己内酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)和聚乙烯醇(PVA)。

       共聚维酮是一种水溶性高分子树酯,为白色粉末,无臭无味,可溶于水、乙醇及无水醇类等非极性溶剂,具有良好的粘结性、成膜性,同时具有不错的表面活性。有学者使用共聚维酮 VA64和AffinisolTM15、聚乙烯醇-聚乙二醇共聚物等不同的聚合物和药物混合进行热熔挤出,制备可用于打印的材料,结果表明使用共聚维酮VA64和AffinisolTM15进行1:1混合为3D打印和快速药物释放的合适聚合物系统。

       羟丙基甲基纤维素(HPMC)安全无毒,常用于药物制剂过程的辅料。以羟丙基甲基纤维素为主要辅料加以Soluplus与主药进行混合,进行熔融挤出,制备出用于打印药物的耗材并打印成为控释片,具有光滑的表面和紧密的结构。

       聚己内酯是一种新型树脂,具有良好的生物相容性和生物降解性。现多用于可控释药物载体和医用手术缝合线。用聚己内酯作为主要聚合化合物制备装有聚合纳米胶囊的3D打印片剂,发现纳米技术和3D打印技术的结合可以将优势结合在一起,使用个性化的制造方法来定万博manbetx客户端物释放和剂量,以及使用纳米级控万博manbetx客户端物释放速率。

       乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)是新型环保塑料发泡材料,无毒性。使用不同规格的EVA作为主要辅料加入主药进行热熔挤出,对挤出的线材进行扫描电镜(SEM)、红外光谱(IR)、差示扫描量热法(DSC)、X射线衍射(PXRD)、体外药物释放等方法分析和研究挤出材料和打印出的固体制剂中API的晶型情况、释放速率。发现得到的药物更容易从纤维表面释放,在其外部区域形成孢子。

       聚乙烯醇(PVA)是高分子有机物,对人体无毒,无副作用,具有良好的生物相容性,在药物制剂研究中,可制备用于眼部的水溶性凝胶。其水性凝胶在眼科、伤口敷料和人工关节方面有广泛应用,同时,聚乙烯醇薄膜在药用膜,人工肾膜等方面也有使用。使用HME(热熔挤出)成功制备了含布地奈德的纤维,其纤维中的布地奈德载荷远高于通过酒精溶液增容所实现的载荷。通过TGA分析和DSC数据证实布地奈德在HME期间不会降解。

       3D打印与药物制剂

       相比于 3D打印技术在药物合成的应用,商品化的 3D打印机和已有的软件更加适用于药物制剂的制备,尤其是片剂和缓控释制剂的制备。采用 3D打印技术制备药物与传统制备方法相比具有以下几种显著的优点:①成形速度快;②能够实现多种材料精确成形和局部微细控制;③原料无浪费;④生产更加精准。万博manbetx客户端技术与 3D打印技术结合有望实现药品按需"现做现卖"。在未来,医生可以根据诊断情况为患者开具数字化的处方,并将处方信息简化为一个条码,患者可以持处方信息条码通过 3D打印机打印药物,最后服药治疗。使用3D打印机制备药品,能够实现药品按需制备,使药品的生产更加精准,有望减少甚至取消药品库存,从而解决药品储存问题。

       3D打印与新药研发

       新药研发可以体现国家医药工业的经济与技术实力,它的研究状况直接影响到国家医药产业的生存和发展。在新药的研发中,由于动物模型和人体组织之间的差异导致了很多晚期阶段的药物临床试验失败,针对这一问题,有研究人员采用在体外构建更接近体内复杂组织以及将组织模型用于新药筛选和药物实验来解决。然而,利用传统方法构建活体器官组织模型是十分困难的,随着科学技术发展,利用 3D打印技术能够打印出活体器官,如肝 脏、血管等,将3D打印技术打印的活体器官应用于新药筛选和药物实验,将有利于推动新药的创制,为新药的研发提供全新的方法。

       3D打印与中医药

       根据中医"整体观念"及"辨证论治"理论,中医师在疾病治疗过程中会综合考虑患者的病情、体质等情况进行用药,而传统中药汤剂、片剂、散剂、颗粒剂等剂型存在煎煮、携带不便、口感欠佳、患者服用剂量较大、挥发油等有效成分损失及药物溶出速率无法控制等问题,在一定程度上限制了中医药的现代化发展。3D打印可根据中药处方进行数字化设计,使处方剂量精准化,提升制剂中挥发油的稳定性,更好地控制有效成分在体内的释放速率,满足不同患者的用药需求,发挥更好的疗效。

       将3D打印技术应用于中药制剂的制备过程中,可以解决传统制剂需要加入大量辅料、造粒、干燥、加压、滚圆等工艺的问题,而且可实现中药的个体化给药;采用 3D打印技术可将经过处理后的贵重药材,根据分装剂量要求,按照设计好的三维图形打印成适宜的立体形状,有望解决原本不易分剂量使用贵重药材的问题;将中药挥发油封装于 3D打印喷头中,根据设定好的程序和三维图形,直接打印于片剂中心,可减少药物的挥发,增加药物的稳定性、保证疗效。

       3D打印万博manbetx客户端和传统万博manbetx客户端是相辅相成的,两者呈互补关系。一方面,传统万博manbetx客户端经过长时间的实践,已经渐趋成熟,在产业化和规模化方面有着得天独厚的优势。而另一方面,3D打印作为一种新兴的技术,能够实现多种材料精确成形和局部微细控制,具有更精准的特点, 能在一些特殊的治疗上起到传统药品无法比拟的效果。但是,3D打印技术在药学中的应用还处于初期阶段,仍面临着许多问题。不过相信在科研人员的不懈努力下,这些问题将迎刃而解,3D打印技术与药学的结合,将成为未来发展的新趋势,3D打印药品的普及也指日可待。

       参考文献:

       [1] 刘冬涵, 梁军, 罗菊元, et al. 3D打印技术在制剂工艺中的研究进展与应用[J]. 中草药, 2019(17).

       [2] 赵洪岭, 王琛, 高俊冬, et al. 3D打印制剂的药用辅料研究进展[J]. 临床医药文献电子杂志, 2019, 6(03):200-201.

       [3] 陈国宁,舒花,余佩,罗智敏,杜玮,常春,傅强. 3D打印技术在药学领域研究中的应用[J]. 中国药学杂志(16期):1353-1359.

       作者简介:小泥沙,食品科技工作者,毕业于华南理工大学食品科学与工程学院,食品科学硕士,现就职于国内某大型药物研发公司,从事营养食品的开发与研究。       

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