计算机图形学国际顶级期刊：3D打印形状奇特的药丸——实现口服药物的体内可控释放

导读：你记忆中的药丸是不是原片状或者胶囊状的？以后看到若是形状奇特的药丸不要惊讶，因为研究者们已经发现，通过对药丸的形状进行设计，可以进行体内可控的药物释放过程。



2023年5月，南极熊获悉，来自德国和美国的研究学者结合使用先进的计算方法和3D打印技术，生产了能够以可控形式溶解在液体中的物体，使得药物能够高效、有针对性的释放，更推动了3D打印技术在制药领域的发展。他们的研究已经已经发表在了《ACM Transactions on Graphics》上，题目为《Shape from Release: Inverse Design and Fabrication of Controlled Release Structures》(从溶解到形状：控制释放结构的逆向设计和制造)。

该项目由 Vahid Babaei 博士和 Julian Panetta 教授领导，打印的3D结构会在所需的时间以一种函数变化进行溶解，从而以受控方式释放。研究人员巧妙地结合数学建模、实验设置和3D打印，打印出了具有复杂3D形状的结构，能够实现在药物溶解时定量输送药物。



研究背景
形状不同的物体在溶液中溶解的形式也大不相同，预测具有不同形状的物体的溶出动力学是一个重要的问题，尤其是在药剂学中。然而，更重要和更具挑战性的是通过形状控制溶解，即设计形状，使材料在特定时间内在溶剂中具有所需的释放行为。

研究内容



研究人员通过引入计算逆向设计来解决上述问题：

●首先，介绍一个简单的、受物理启发的、可区分的正向溶解模型。

●其次，将逆向设计用具有PDE约束的拓扑优化进行描述，该拓扑优化可以访问通过灵敏度分析获得的解析导数。

●再次，在优化目标中考虑了可制造性，使设计不仅仅停留在理论层面。

●最后，通过模拟和3D打印制造了不同结构，从而验证并分析了提出的方法。

简单来说，研究者发明了一种完全依赖于物体形状的时间控制释放过程，这将推动3D打印在制药行业中的发展。这些看起来很有趣的药丸并不是设计噱头，它们可以在所需的时间范围内释放药物，能够精确控制患者的药物浓度，这是药物治疗关键的一环。在静脉输注的情况下，血液中的浓度由滴速乘以静脉溶液中药物的比例决定，但对于口服给药，药物浓度很难精确保证。

研究者们的想法是在不同位置使用具有不同药物浓度的多组分、多材料结构。这本来很难制造，但得益于3D打印的巨大进步及其创造复杂形状的的能力，制造具有成分可控分布的药物目前是可以实现的。对于这类药物，药物的释放时间和体量完全取决于几何形状，更容易保证和控制。




由于药丸在消化道摄入后不可能受到外部影响，因此所需的时间依赖性药物释放必须由样品的形状（溶解的活性表面）产生。研究人员想到可以根据给定的几何形状计算随时间变化的溶出度。因此，研究团队提出了一种正向模拟，模拟了药丸一次溶解一层的状态。然而，研究者们最感兴趣的是首先定义所需的释放，然后找到根据该释放曲线溶解的形状。即使使用这种有效的正向模拟，为所需药物方案找到合适的三维形状的逆向工程也存在很大困难。

这就是拓扑优化 (TO) 的应用所在：正向模拟被反转以找到具有特定属性的形状。TO最初是为机械部件开发的，同时获得了广泛的应用。该团队率先提出逆向设计策略，基于拓扑优化从发布行为中确定最合适的形状，并且通过了实验验证，最终测得的释放曲线与所需值十分相近。逆向设计方法还可以结合不同制造系统的不同可制造性约束。例如，它可以被修改以生成挤压形状，因此不会妨碍大规模生产。除了所讨论的制药应用之外，进一步的可能性包括生产催化体甚至粗粒肥料。

原文链接：https://doi.org/10.1145/3550454.3555518