計(jì)算機(jī)圖形學(xué)國(guó)際頂級(jí)期刊：3D打印形狀奇特的藥丸——實(shí)現(xiàn)口服藥物的體內(nèi)可控釋放

導(dǎo)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?yàn)檠芯空邆円呀?jīng)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)藥丸的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以進(jìn)行體內(nèi)可控的藥物釋放過(guò)程。



2023年5月，南極熊獲悉，來(lái)自德國(guó)和美國(guó)的研究學(xué)者結(jié)合使用先進(jìn)的計(jì)算方法和3D打印技術(shù)，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(duì)性的釋放，更推動(dòng)了3D打印技術(shù)在制藥領(lǐng)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(jié)構(gòu)的逆向設(shè)計(jì)和制造)。

該項(xiàng)目由 Vahid Babaei 博士和 Julian Panetta 教授領(lǐng)導(dǎo)，打印的3D結(jié)構(gòu)會(huì)在所需的時(shí)間以一種函數(shù)變化進(jìn)行溶解，從而以受控方式釋放。研究人員巧妙地結(jié)合數(shù)學(xué)建模、實(shí)驗(yàn)設(shè)置和3D打印，打印出了具有復(fù)雜3D形狀的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)在藥物溶解時(shí)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(yù)測(cè)具有不同形狀的物體的溶出動(dòng)力學(xué)是一個(gè)重要的問(wèn)題，尤其是在藥劑學(xué)中。然而，更重要和更具挑戰(zhàn)性的是通過(guò)形狀控制溶解，即設(shè)計(jì)形狀，使材料在特定時(shí)間內(nèi)在溶劑中具有所需的釋放行為。

研究?jī)?nèi)容



研究人員通過(guò)引入計(jì)算逆向設(shè)計(jì)來(lái)解決上述問(wèn)題：

●首先，介紹一個(gè)簡(jiǎn)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(shè)計(jì)用具有PDE約束的拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行描述，該拓?fù)鋬?yōu)化可以訪問(wèn)通過(guò)靈敏度分析獲得的解析導(dǎo)數(shù)。

●再次，在優(yōu)化目標(biāo)中考慮了可制造性，使設(shè)計(jì)不僅僅停留在理論層面。

●最后，通過(guò)模擬和3D打印制造了不同結(jié)構(gòu)，從而驗(yàn)證并分析了提出的方法。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，研究者發(fā)明了一種完全依賴于物體形狀的時(shí)間控制釋放過(guò)程，這將推動(dòng)3D打印在制藥行業(yè)中的發(fā)展。這些看起來(lái)很有趣的藥丸并不是設(shè)計(jì)噱頭，它們可以在所需的時(shí)間范圍內(nèi)釋放藥物，能夠精確控制患者的藥物濃度，這是藥物治療關(guān)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(duì)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(jié)構(gòu)。這本來(lái)很難制造，但得益于3D打印的巨大進(jìn)步及其創(chuàng)造復(fù)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(shí)現(xiàn)的。對(duì)于這類藥物，藥物的釋放時(shí)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(shí)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(jì)算隨時(shí)間變化的溶出度。因此，研究團(tuán)隊(duì)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?fù)鋬?yōu)化 (TO) 的應(yīng)用所在：正向模擬被反轉(zhuǎn)以找到具有特定屬性的形狀。TO最初是為機(jī)械部件開(kāi)發(fā)的，同時(shí)獲得了廣泛的應(yīng)用。該團(tuán)隊(duì)率先提出逆向設(shè)計(jì)策略，基于拓?fù)鋬?yōu)化從發(fā)布行為中確定最合適的形狀，并且通過(guò)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終測(cè)得的釋放曲線與所需值十分相近。逆向設(shè)計(jì)方法還可以結(jié)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(huì)妨礙大規(guī)模生產(chǎn)。除了所討論的制藥應(yīng)用之外，進(jìn)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