人工智能小組使用新策略開發(fā)3D打印藥丸方法

2023年5月31日，南極熊獲悉，來自德國薩爾布呂肯馬克斯普朗克信息學研究所和加州大學戴維斯分校的一組科學家開發(fā)了一種新的3D打印藥丸工藝，可以以預定速度釋放藥物。該研究未來在制藥、催化劑和粗顆粒肥料生產(chǎn)等領域具有發(fā)展前景。

△3D打印的藥丸示例

這項研究旨在解決傳統(tǒng)藥物生產(chǎn)中存在的一些挑戰(zhàn)，例如批量生產(chǎn)和個體化治療之間的平衡。通過使用3D打印技術，研究人員可以根據(jù)患者的具體需求和藥物配方，以預定速度打印出定制的藥丸。這種方法允許根據(jù)每個患者的特定劑量和藥物組合需求進行個性化制造，提供更精確的治療。研究小組負責人向3D打印行業(yè)提供了有關該技術影響的見解。

△該論文的題目為“釋放的形狀：受控釋放結構的逆向設計和制造”（傳送門）

在最近發(fā)表的一篇由馬克斯普朗克研究所的Vahid Babaei博士和加州大學戴維斯分校的 Julian Panetta教授領導的研究論文中，該團隊展示了如何通過3D打印具有特定形狀的藥丸來確定它們在人體內(nèi)的溶解速度。

該團隊指出，幾何形狀相較于靜脈輸液等其他定時給藥方法更易于控制，因此據(jù)稱這種新方法在制藥行業(yè)具有巨大潛力，尤其考慮到控制患者藥物水平的重要性。此外，還指出了該方法在制藥、催化劑和粗顆粒肥料生產(chǎn)等領域的潛在應用。

馬克斯普朗克信息學研究所人工智能輔助設計與制造組的研究組組長Babaei博士評論道：“我相信定點醫(yī)療和個性化醫(yī)療即將到來，并且3D打印將發(fā)揮重要作用�！�

△部分3D打印藥丸設計示例

逆向設計策略

研究人員結合了先進的計算方法、數(shù)學建模和基于FDM的3D打印技術來測試和評估這一新工藝。

研究團隊通過拓撲優(yōu)化開發(fā)的設計進行了仿真，并進行了反向模擬以找到具有特定溶解特性的特定形狀。隨后，實際實驗驗證了關于溶解行為的預測。研究團隊表示，他們是第一個通過逆向設計策略從基于拓撲優(yōu)化的釋放行為中找到所需形狀的人。

在實驗過程中，研究人員首先使用配備Tecdia公司的0.2毫米Kaika噴嘴的Prusa i3 MK3s FDM 3D打印機來打印所需的組件。他們還使用了Infinite Materials Solutions的AquaSys 120，這是一種通常用于支撐結構的可水溶性長絲。

打印完成后，將部件放入蒸餾水中，并使用攝像系統(tǒng)測量碎片溶解的速度。雖然通常使用替代的、高成本的專業(yè)設備來測量溶出率，但研究團隊使用了基于圖像的系統(tǒng)，因為它對科學家來說設置起來更快、更簡單。

最終，測得的釋放曲線與預期非常接近。這驗證了逆向設計策略的預測，并確認特定形狀可用于確定藥物的特定釋放速率。

盡管該研究團隊尚未確定這種新的藥丸制造工藝是否在市場上具有商業(yè)價值，但他們已經(jīng)為他們的研究申請了專利。Babaei博士表示：“我們的團隊非常關注將我們的研究付諸實踐。”事實上，該團隊已經(jīng)為激光行業(yè)啟動了一個名為Oraclase的衍生項目。

△該團隊表示通過設計優(yōu)化，藥物的釋放過程呈現(xiàn)曲線化

早期的3D打印制藥應用

3D打印技術在制藥應用方面已經(jīng)有一段相當合理的歷史。在2016年，Aprecia Pharmaceuticals宣布其Spritam藥物獲得了美國食品和藥物管理局（FDA）的批準，這是第一種完成FDA流程的3D打印藥物。Spritam是一種用于治療癲癇發(fā)作的藥物，通過3D打印成可立即溶解的藥片，使那些難以吞咽常規(guī)藥丸的患者更容易獲得藥物。

△2016年，Spritam作為第一種3D打印藥物上市

盡管與這種新的基于形狀的工藝有一些相似之處，但Aprecia的產(chǎn)品與之存在明顯的區(qū)別。Babaei博士解釋道，Spritam具有單一的溶出模式，即快速且即時的溶解模式。而在這種新工藝中，用戶可以根據(jù)需要繪制任何釋放曲線（快速或其他），然后根據(jù)曲線計算出相應的形狀。

另外，2020年，希臘和意大利的一個研究團隊使用半固態(tài)擠壓的3D打印技術來調(diào)控藥物片劑的定制和患者特定的藥物釋放速率。他們并沒有使用3D打印藥丸，而是通過在藥片上部分涂覆甘油酯來實現(xiàn)控制。通過控制涂覆層的特性，研究人員成功地調(diào)節(jié)了片劑中兩種活性藥物成分（API）的釋放速率。根據(jù)研究團隊的說法，這種方法允許根據(jù)患者的需求實現(xiàn)個性化的藥物釋放速率。

總體而言，這些例子展示了3D打印技術在制藥領域的不同應用，包括定制藥物釋放速率和提供更易于服用的藥物形式，進一步展示了該技術在個性化醫(yī)療方面的潛力。