計算機圖形學國際頂級期刊：3D打印形狀奇特的藥丸——實現(xiàn)口服藥物的體內可控釋放

導讀：你記憶中的藥丸是不是原片狀或者膠囊狀的？以后看到若是形狀奇特的藥丸不要驚訝，因為研究者們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過對藥丸的形狀進行設計，可以進行體內可控的藥物釋放過程。



2023年5月，南極熊獲悉，來自德國和美國的研究學者結合使用先進的計算方法和3D打印技術，生產(chǎn)了能夠以可控形式溶解在液體中的物體，使得藥物能夠高效、有針對性的釋放，更推動了3D打印技術在制藥領域的發(fā)展。他們的研究已經(jīng)已經(jīng)發(fā)表在了《ACM Transactions on Graphics》上，題目為《Shape from Release: Inverse Design and Fabrication of Controlled Release Structures》(從溶解到形狀：控制釋放結構的逆向設計和制造)。

該項目由 Vahid Babaei 博士和 Julian Panetta 教授領導，打印的3D結構會在所需的時間以一種函數(shù)變化進行溶解，從而以受控方式釋放。研究人員巧妙地結合數(shù)學建模、實驗設置和3D打印，打印出了具有復雜3D形狀的結構，能夠實現(xiàn)在藥物溶解時定量輸送藥物。



研究背景
形狀不同的物體在溶液中溶解的形式也大不相同，預測具有不同形狀的物體的溶出動力學是一個重要的問題，尤其是在藥劑學中。然而，更重要和更具挑戰(zhàn)性的是通過形狀控制溶解，即設計形狀，使材料在特定時間內在溶劑中具有所需的釋放行為。

研究內容



研究人員通過引入計算逆向設計來解決上述問題：

●首先，介紹一個簡單的、受物理啟發(fā)的、可區(qū)分的正向溶解模型。

●其次，將逆向設計用具有PDE約束的拓撲優(yōu)化進行描述，該拓撲優(yōu)化可以訪問通過靈敏度分析獲得的解析導數(shù)。

●再次，在優(yōu)化目標中考慮了可制造性，使設計不僅僅停留在理論層面。

●最后，通過模擬和3D打印制造了不同結構，從而驗證并分析了提出的方法。

簡單來說，研究者發(fā)明了一種完全依賴于物體形狀的時間控制釋放過程，這將推動3D打印在制藥行業(yè)中的發(fā)展。這些看起來很有趣的藥丸并不是設計噱頭，它們可以在所需的時間范圍內釋放藥物，能夠精確控制患者的藥物濃度，這是藥物治療關鍵的一環(huán)。在靜脈輸注的情況下，血液中的濃度由滴速乘以靜脈溶液中藥物的比例決定，但對于口服給藥，藥物濃度很難精確保證。

研究者們的想法是在不同位置使用具有不同藥物濃度的多組分、多材料結構。這本來很難制造，但得益于3D打印的巨大進步及其創(chuàng)造復雜形狀的的能力，制造具有成分可控分布的藥物目前是可以實現(xiàn)的。對于這類藥物，藥物的釋放時間和體量完全取決于幾何形狀，更容易保證和控制。




由于藥丸在消化道攝入后不可能受到外部影響，因此所需的時間依賴性藥物釋放必須由樣品的形狀（溶解的活性表面）產(chǎn)生。研究人員想到可以根據(jù)給定的幾何形狀計算隨時間變化的溶出度。因此，研究團隊提出了一種正向模擬，模擬了藥丸一次溶解一層的狀態(tài)。然而，研究者們最感興趣的是首先定義所需的釋放，然后找到根據(jù)該釋放曲線溶解的形狀。即使使用這種有效的正向模擬，為所需藥物方案找到合適的三維形狀的逆向工程也存在很大困難。

這就是拓撲優(yōu)化 (TO) 的應用所在：正向模擬被反轉以找到具有特定屬性的形狀。TO最初是為機械部件開發(fā)的，同時獲得了廣泛的應用。該團隊率先提出逆向設計策略，基于拓撲優(yōu)化從發(fā)布行為中確定最合適的形狀，并且通過了實驗驗證，最終測得的釋放曲線與所需值十分相近。逆向設計方法還可以結合不同制造系統(tǒng)的不同可制造性約束。例如，它可以被修改以生成擠壓形狀，因此不會妨礙大規(guī)模生產(chǎn)。除了所討論的制藥應用之外，進一步的可能性包括生產(chǎn)催化體甚至粗粒肥料。

原文鏈接：https://doi.org/10.1145/3550454.3555518