人工智能小组使用新策略开发3D打印药丸方法

2023年5月31日，南极熊获悉，来自德国萨尔布吕肯马克斯普朗克信息学研究所和加州大学戴维斯分校的一组科学家开发了一种新的3D打印药丸工艺，可以以预定速度释放药物。该研究未来在制药、催化剂和粗颗粒肥料生产等领域具有发展前景。

△3D打印的药丸示例

这项研究旨在解决传统药物生产中存在的一些挑战，例如批量生产和个体化治疗之间的平衡。通过使用3D打印技术，研究人员可以根据患者的具体需求和药物配方，以预定速度打印出定制的药丸。这种方法允许根据每个患者的特定剂量和药物组合需求进行个性化制造，提供更精确的治疗。研究小组负责人向3D打印行业提供了有关该技术影响的见解。

△该论文的题目为“释放的形状：受控释放结构的逆向设计和制造”（传送门）

在最近发表的一篇由马克斯普朗克研究所的Vahid Babaei博士和加州大学戴维斯分校的 Julian Panetta教授领导的研究论文中，该团队展示了如何通过3D打印具有特定形状的药丸来确定它们在人体内的溶解速度。

该团队指出，几何形状相较于静脉输液等其他定时给药方法更易于控制，因此据称这种新方法在制药行业具有巨大潜力，尤其考虑到控制患者药物水平的重要性。此外，还指出了该方法在制药、催化剂和粗颗粒肥料生产等领域的潜在应用。

马克斯普朗克信息学研究所人工智能辅助设计与制造组的研究组组长Babaei博士评论道：“我相信定点医疗和个性化医疗即将到来，并且3D打印将发挥重要作用。”

△部分3D打印药丸设计示例

逆向设计策略

研究人员结合了先进的计算方法、数学建模和基于FDM的3D打印技术来测试和评估这一新工艺。

研究团队通过拓扑优化开发的设计进行了仿真，并进行了反向模拟以找到具有特定溶解特性的特定形状。随后，实际实验验证了关于溶解行为的预测。研究团队表示，他们是第一个通过逆向设计策略从基于拓扑优化的释放行为中找到所需形状的人。

在实验过程中，研究人员首先使用配备Tecdia公司的0.2毫米Kaika喷嘴的Prusa i3 MK3s FDM 3D打印机来打印所需的组件。他们还使用了Infinite Materials Solutions的AquaSys 120，这是一种通常用于支撑结构的可水溶性长丝。

打印完成后，将部件放入蒸馏水中，并使用摄像系统测量碎片溶解的速度。虽然通常使用替代的、高成本的专业设备来测量溶出率，但研究团队使用了基于图像的系统，因为它对科学家来说设置起来更快、更简单。

最终，测得的释放曲线与预期非常接近。这验证了逆向设计策略的预测，并确认特定形状可用于确定药物的特定释放速率。

尽管该研究团队尚未确定这种新的药丸制造工艺是否在市场上具有商业价值，但他们已经为他们的研究申请了专利。Babaei博士表示：“我们的团队非常关注将我们的研究付诸实践。”事实上，该团队已经为激光行业启动了一个名为Oraclase的衍生项目。

△该团队表示通过设计优化，药物的释放过程呈现曲线化

早期的3D打印制药应用

3D打印技术在制药应用方面已经有一段相当合理的历史。在2016年，Aprecia Pharmaceuticals宣布其Spritam药物获得了美国食品和药物管理局（FDA）的批准，这是第一种完成FDA流程的3D打印药物。Spritam是一种用于治疗癫痫发作的药物，通过3D打印成可立即溶解的药片，使那些难以吞咽常规药丸的患者更容易获得药物。

△2016年，Spritam作为第一种3D打印药物上市

尽管与这种新的基于形状的工艺有一些相似之处，但Aprecia的产品与之存在明显的区别。Babaei博士解释道，Spritam具有单一的溶出模式，即快速且即时的溶解模式。而在这种新工艺中，用户可以根据需要绘制任何释放曲线（快速或其他），然后根据曲线计算出相应的形状。

另外，2020年，希腊和意大利的一个研究团队使用半固态挤压的3D打印技术来调控药物片剂的定制和患者特定的药物释放速率。他们并没有使用3D打印药丸，而是通过在药片上部分涂覆甘油酯来实现控制。通过控制涂覆层的特性，研究人员成功地调节了片剂中两种活性药物成分（API）的释放速率。根据研究团队的说法，这种方法允许根据患者的需求实现个性化的药物释放速率。

总体而言，这些例子展示了3D打印技术在制药领域的不同应用，包括定制药物释放速率和提供更易于服用的药物形式，进一步展示了该技术在个性化医疗方面的潜力。