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数字医药时代:3D打印点燃定制药物市场,FDM技术成新亮点

作者:李秦 2019-04-14 08:00

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随着3D打印技术的出现,医药行业即将迎来第四次产业革命。传统药店将通过多种渠道实现数字化转型,比如,药店利用3D打印机,实现远程医疗护理,并修改患者的药物治疗方案。

 

在3D打印技术中,FDM(熔融沉积成型)是一种将热熔性的线状材料加热熔化成形的方法。这一技术可用于生产定制药物,它在制备特殊形状的药片、调控药物固体存在形式比例、制备复方药物制剂等方面存在明显优势。

 

动脉网(微信:vcbeat)编译了3D打印药物的相关研究报告。本篇报告介绍了FDM技术的最新进展,并讨论了其面临的挑战。只有制药行业和药店共同参与其中,才能将这项技术变为现实,实现效益最大化。制药公司可以大规模生产含有药物有效成分的打印材料,同时保证质量和安全性;而数字药店可以根据特定的处方,将打印材料转化为定制药物。

 

商用的3D打印机必须满足药品制剂的卫生要求,而且符合监管和专利保护的规定。尽管这一技术的发展才刚刚起步,但3D打印药物仍有望成为制药领域有史以来最大的技术飞跃,而且如果进展顺利,这一目标很快就会实现。


3D打印制药:以自由成型的特性满足个性化的需求


随着工业革命的发展,尤其是在软胶囊剂型出现后,大规模流水线生产改善了药物治疗方式。此后,尽管出现了现代化的工业设施,生产质量也得到了提高,但制药的基础流程并没有改变。

 

在过去的几十年里,3D打印技术改变了人类生活的方方面面,成为第四次工业革命的重要标志之一。近年来,该技术在药物制剂领域也显示出了应用潜力。因此,世界各地的专家指出,经过两个世纪的发展,制药领域终于有机会实现重大的技术飞跃。

 

与传统方法相比,3D打印技术在药物制造方面存在独特优势,因为它自由成型的特性能满足不同患者个性化的需求,为他们制备特殊形状的药片、调控药物固体存在形式比例和释放特性、配制特定剂量的药物。此外,在口腔、皮肤和植入式给药方面,3D打印机可以帮助生产复杂精细的给药装置。

 

然而,要将3D打印技术应用于大规模的药物生产并不容易。针对这一问题,FDM打印机可能不是最佳的解决方案。其原因在于多个方面,例如,压片机的速度是打印机的60倍。因此,3D打印机也无法达到工业压片机的速度,但它们肯定有助于解决目前疗法存在的问题,通过补充或替代传统的药物生产方式,满足药物治疗的个性化需求。

 

另一方面,对于药店来说,3D打印和手动操作的速度差异可能没有那么大。3D打印机可以连接多个终端,同时进行多个任务,以加快整体进程。目前,为满足患者的个人需求,传统药店采用的手动操作流程仍与数百年前相似。例如,他们无法控制药物的释放特性,定制特定的剂型,生产的药物也无法达到药典所规定的质量标准,从而危及患者的安全。

 

3D打印过程的自动化,尤其是FDM技术的高精确度,都使药品打印过程更加安全。它还可以避免劣质产品的出现,改善个性化药物的质量。

 

FDM是一种3D打印技术,常用于制造给药装置。原因在于打印机的成本较低,打印的高准确度能保证药品质量,以及热熔挤出技术早在十年前就应用于制药领域。

 

FDM 3D打印机的原理如下:线状的原材料经过加热的挤出头处受热变软,定向地落在平台上的XY平面,冷却成型。在打印好一层材料后,计算机控制打印机的平台沿Z轴下降(或挤出头沿Z轴上升),挤出头开始在上一层之上继续打印,如此往复直至形成一个三维产品。FDM常用的线状打印材料为可生物降解的固态聚合物线材。

 

只有制药公司和药店共同参与,解决研究过程中遇到的问题,才能让3D打印产品真正进入市场,实现效益最大化。FDM 3D打印机携带方便,操作相对简单,适用于从事复方的药房。另一方面,制药公司可以利用热熔挤出法,大规模生产含有药物有效成分的打印材料。这些中间产品最终转化成个性化药物,供药店使用。

 

此外,3D打印个性化药物可以解决远程医疗面临的问题(图1)。作为医疗领域的未来发展趋势,远程医疗为现代医学的应用提供了更广阔的发展空间。它充分发挥了大医院或专科医疗中心的医疗技术和医疗设备优势,使医生能够对医疗条件较差地区的患者进行远距离的诊断和治疗。而3D打印技术可以根据虚拟处方打印药物,让传统药店实现数字化转型。

 

尽管3D打印技术在医药领域发展迅速,首款利用3D打印技术制备的药物产品——SPRITAM®(左乙拉西坦)已经上市,但仍有一些技术和监管上的问题需要解决。

 

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(图1:有数字药房参与的远程医疗)


FDM技术的多功能性:打印给药装置


最近发表的一篇科学报告称,FDM 3D打印机可以制造多种不同的给药装置。在SciFinder中输入“3D打印”、“FDM”和“药物”等搜索词,会发现从2014年到2018年,共有54篇相关论文发表,这表明了该技术的应用潜力(图2)。

 

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(图2:在SciFinder数据库中,从2014年至2018年,共有54篇关于利用FDM技术打印给药装置的研究论文。)

 

大多数报告是关于口服剂型的研究,其中片剂占最大比例(63%),其次是胶囊(11%)。在所有上市的药物中,口服药物占40%以上。能够控制打印变量,是3D打印药物的一个优势。

 

而FDM技术可以根据患者的个性化需求,精确配制不同的药物。比如,利用3D打印制备个体化剂量的华法林钠片,以及通过打印定制的吗丁啉,增加药物在胃中停留的时间,从而减少服用片剂的频率。此外,在打印过程中,可以混合不同的聚合物,从而得到含多种药物成分的药品。比如,在打印多效药物“polypill”时,加入酚咖片的有效药物成分,最终可以调节药物的释放特性。

 

通过3D打印制备特殊形状的药片,可以有效提高患者的依从性。相关试验表明,患者愿意尝试不同形状的药片,如甜甜圈形状(圆环)。糖果形状的药物可以提高儿童对于口服制剂的接受程度,而加入其他的聚合物可以帮助掩盖药物有效成分的苦味。控制药片的形状也有助于调节药物的释放特性,因为释放特性与药片的表面积和体积有关。

 

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(图3:通过FDM 3D打印机制备的特殊形状药片)

 

另一方面,利用3D打印技术制备的胶囊具有更好的药物疗效。研究人员设计了多层片(两种药物层层相接)和两类双囊片,每种片剂含两种不同的药物成分,而且分高、低两种载药量。

 

实验结果表明,两种成分在药片中独立分层,没有相互掺杂的现象。多层片中药物的释放与两种药物单独的释放相似,载药量较高的片剂释放略快,双囊片中外侧部分的药片释放完后,内层部分的药片才会释放。这意味着利用FDM技术,可以制造多组分药物,通过改变形状等方式来调控药物迟缓/缓释特性。

 

其他利用FDM技术打印的制剂包括口腔膜剂和防护牙托。例如,阿立哌唑口腔膜剂通过多孔聚合物基质加快了药物的溶解速度;新型的个性化给药装置,形状像防护牙托,其中含有丙酸氯倍他索,用于治疗口腔炎症。

 

此外,利用3D技术还可以打印用于皮肤给药的粘合剂。比如,聚乳酸微针装置能够穿透猪的皮肤,并传递一种模型药物。

 

在关于利用FDM技术打印给药装置的研究中,阴道环和植入剂分别占2%和7%(图2)。比如,黄体酮阴道环的表面积或体积不同,会改变药物的释放速率;聚乳酸皮下植入剂可以持续释放双硫仑;含有吲哚美辛的乙烯-醋酸乙烯酯子宫内避孕器也已设计出来。

 

在图2中,其他复杂的给药系统占6%的比例。例如,利用3D打印出的装置,可以使核黄素片在胃酸中停留较长时间,提高药物吸收率,并确保药物的持续释放。双囊片可以结合两种药物(利福平和异烟肼),用于治疗结核病。

 

因此,通过3D打印技术,我们可以制造多组分药物,并通过改变其形状和结构来调控药物的释放特性。然而,虽然已经有了相关的试验和报告,但关于这一课题的研究并不全面。治疗眼疾的载药隐形眼镜、治疗真菌感染的聚合钉状物、治疗秃顶的给药头戴装置,这些都是有待测试的新型设备。

 

FDM技术的适用性:药品生产


正如前面所提到的,与选择性激光烧结、粉末床等3D打印技术相比,在打印给药装置方面,FDM是目前研究最多的技术。因为FDM打印机成本较低,操作方便,打印精度高,重现性好。MakerBot(美国)、Multirap M420(德国)和Prusa i3(捷克)是几项研究中用到的打印机品牌,它们的过程变量,比如温度、速度、填充率等,均与药品生产变量有关。

 

尽管如此,对于此类制剂的应用,目前还没有一种可行的商业模式。最近的一项研究指出,为了满足药品生产的需要,制药公司必须对商用机器进行大量的改造。

 

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(图4:FDM 3D打印机)

 

在图4中,a处的线轴带有加热融化后的载药线状材料,它通过导管连接到打印机上,之后经过齿轮系统到达设备的喷头处。但有时候,在打印过程中,线轴上的原材料没有得到很好的保护,这可能导致线轴的交叉污染。

 

为了解决这一问题,研究人员用一个封闭的隔层覆盖整个线轴,并且持续加热,以获得更好的打印效果。储存线状材料的盒子可与3D打印机配套使用,防止材料受潮或受到灰尘污染。打印机外壳(图4 b)也应进行密封,以防止污染物。

 

为了达到GMP(良好生产规范)的标准,所有与载药线状材料直接接触的打印机部件,如喷头,都应用易于清洗的惰性材料制成。因此,不锈钢是最合适的材料。与热熔挤出机类似,如果要清除机器中的残留物,使用清洁型聚合物可能比使用溶剂和化学产品(如水和肥皂)的效率更高。此外,FDM打印机的机械部件,如电机(图4 f),也需要完全封闭,以防止润滑油溢出。

 

FDM打印机的热处理会影响药物稳定性,这一风险不容忽视。事实上,在这种技术的初步应用中,研究人员已经注意到了热敏药物的稳定性问题。他们利用玻璃化转变温度较低的聚合物或增塑剂,来降低喷头温度。因此,药物应用的一个重点在于,需要对加热器的温度进行更精确和敏感的控制(图4 g)。温度过高可能改变聚合物的粘弹性以及药物的释放特性,最终影响产品的稳定性。

 

另一个操作上的问题在于喷头尺寸不够灵活(图4 d),因为商用线状材料的标准直径为1.75 mm。然而,在制药过程中,由于其具有粘弹性,大量的聚合物材料经过处理后,直径会不统一。在这种情况下,就需要选择带有可调喷头的打印机。

 

此外,带有多个喷头的FDM打印机可以进行批量打印,从而缩短制作时间。甚至可以连接多个接口,在无需更换原材料的情况下继续打印。目前有一些符合以上需求的商用打印机,如Stacker S4(美国),这是一款能够同时进行四项任务的多喷头3D打印机。此外还有Rova3D(加拿大),它有0.2 mm、0.35 mm、0.5 mm、0.7 mm、1.0 mm直径的喷头,可以同时进行五项任务。

 

为了提升 3D打印机的性能和自动化程度,技术人员需要使用与打印机配套的活塞或注射器,在打印机支架上填充含有药物成分的液体或半固体。例如,泊洛沙姆等热凝胶材料可以调节药物的释放特性。美国的Hyrel 3D公司就设计了一套含有不同打印机喷头的产品。将喷头组装到打印机上,就可以对不同材料进行加工,例如,用于FDM线状材料的热喷嘴、用于糊料和树脂的冷热喷头以及用于液体和凝胶的冷喷嘴。

 

用来控制打印机的软件(图4 h)可以接收医生的电子处方,并推荐最合适的打印条件。而技术人员会根据原材料制造商的要求,提供其他更复杂的信息,如喷嘴尺寸、平台温度、速度、层高和填充率等。相关人员经过培训,应具备操作机器的能力。在设计产品形状时,应预先从数据库中进行选择,从而节省时间。

 

生产一体化:制药公司与药店通力合作,完善产业链


目前,来自世界各地的几十个研究小组正在快速开发FDM 3D打印技术,用于制造不同的给药装置。然而,考虑到已有的挤压技术,只有制药公司和药店通力合作,形成互补生产链,才能开拓新市场,使这项技术真正具有商业可行性。

 

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(图5:线状材料的工业生产和个性化药物的打印)

 

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制药业:利用热熔挤出技术生产线状材料


利用热熔挤出(HME)技术可制成供3D打印的含药聚合物线材。整个生产过程主要有三步(图5):首先,将所有相关物料充分混合,然后通过热熔挤出机加热挤出,最后,将该聚合物线材装入线轴中。这种中间产品应该进行密封包装,以防止变质,直到它被送达药房。

 

在最初阶段,生产原材料的制药公司应根据所选药物和所需的药物释放特性,来研发产品。此时,药物配方以及热熔挤出过程的设计都应遵循以下规则:质量源于设计。              

 

近年来,研究人员开始注意HME在药剂领域的应用。通过对热学和流变学的研究,他们确定了不同部件之间的相容性,以及对热熔挤出技术和3D打印的适用性。之后,研究人员对相关产品的稳定性进行试验,以确定其保质期。他们还用具有一定增溶特性(溶解快慢、酸碱度等)的聚合物,来生产线状材料,以改变药物的释放特性。             

 

线状材料的直径对3D打印过程来说至关重要。如果尺寸不合适,可能会导致挤出物堵塞或进料速率降低。一些吸湿性强的聚合物会导致直径增大,影响原材料顺利通过打印机。此外,加热过程也会对直径造成影响,所以在某些情况下,需要将带有冷却系统的外部皮带轮连接到挤出机。             

 

常规的质量控制测试内容包括尺寸、流变特性、拉伸强度、热行为和药物成分等。此外,应用溶解装置或Franz扩散池来评估药物的释放特性。           

 

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数字药房:利用FDM技术打印个性化药物

 

目前,一些药店已经配备了必要的基础设施,来制造3D打印的给药装置。事实上,FDM型3D打印机是最合适的,因为它不需要进行重大的调整。在从事复方的药店里,制药设备可设置在固体和液体制备室的工作台上,因为它需要通电才能工作。

 

在控制室,通过一台或多台配备必要接口的计算机,打印机可以联网。医生远程发送处方,经药房管理部门授权后,药剂师会对其进行修改,然后送至可用的打印机进行打印。因此,通过购买打印机和相关软件,以及对人员进行培训,常规的药店可以变身为数字药房。

 

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(图6:配备有FDM 3D打印机的数字药房)

 

制药过程主要分三步(图5):首先,根据原材料制造商提供的信息和处方,技术人员使用打印机软件设置相关参数,如填充率、速度、分辨率、温度等。此外,还需要从数据库中选择合适的给药装置形状。FDM型打印机必须与原材料的规格兼容,这样中间产品才能符合流程规范。

 

第二步包括线轴的连接和打印工作。在打印过程中,为了避免线轴的浪费和暴露,应选择数量合适的原材料,并将其转移到较小的线轴上。而剩下的线状材料应用真空装置进行密封。正如前文所提到的,FDM 3D打印机可以根据患者的特定需求,生产个性化药物。

 

在第三阶段,按照相关规定,技术人员会对生产的给药装置进行包装,然后交给接待室的患者。在使用不同材料再次打印之前,必须对打印机进行清理。

 

除了选择具有调节作用的聚合物外,还可以通过调整打印参数(如填充率、填充形状或打印速度)来控制药物的释放特性。在剂型不变的情况下,可以选择不同的线状材料,以获取所需的结构。比如,加拿大Mosaic Manufacturing公司推出了3D打印设备——Palette2,它可以根据需要构建的3D结构,将不同的线状材料组合在一起。

 

成品药的质量控制应与目前固体制剂的质量控制相同,包括对平均质量和感官特征进行测试。由于3D打印过程的自动化程度高,生产环节少,人为失误的风险较低,所以它能有效保证产品的安全性。对于给药装置的其他特性,如硬度、易碎性、药物成分和药物释放特性,可在试验过程中进行验证,或者根据各国监管要求进行抽样调查。

 

相关研究显示,配制药物的药房出现失误,如称重错误,会导致患者中毒的情况,而3D打印技术可以很好地解决这一问题。此外,对于三维结构的质量控制,有以下几种分析方法:一是使用可以分析成批产品的工具,例如近红外光谱法,在药物成分测定中,它的灵敏度可以与色谱法相当;以及太赫兹成像技术,它可以在几毫秒内进行深度扫描,然后提供产品的微观结构信息。这些新的分析方法可以有效保证3D打印药物的安全性。


专利保护和监管要求:前景乐观,但也需审慎


在过去的几年里,医疗产品的3D打印得到了全世界的关注,特别是颅骨植入物、人工膝关节和脊柱假体等定制产品。这些产品都按照现行的FDA法规进行销售。2017年,FDA发布了针对医疗制造商的3D打印草案指南,除此之外,目前还没有关于其他产品3D打印的监管规定。

 

2015年,FDA批准了首款3D打印药物Spritam®(左乙拉西坦)。这一技术进步使人们开始关注3D打印给药装置。然而,尽管该领域发展迅速,但仍有一些法律和监管上的问题需要解决。

 

Spritam是一种治疗癫痫的速溶片,经现有法规批准可用于大规模工业生产。其设计使得大剂量的活性成分(1000 mg左乙拉西坦)能够快速溶解。与压片等其他技术相比,3D打印可以解决产品形状设计等问题,促进制药行业的发展,比如定制配方、设计多效药丸“polypills”和小批量生产孤儿药等。

 

在过去的十年中,许多3D打印技术不再是少数人的专利,这使得公众和制药公司能够更好地使用3D打印设备。在申请专利的过程中,考虑到3D打印药物的知识产权,它应该被认证为创新工艺或产品。专利权人对其产品或工艺享有专利权,直至专利权有效期满;同时,未经专利权人许可,任何单位或者个人不得使用、制造、销售专利产品。

 

但是,根据一些国家(如英国和巴西)的知识产权法,专业医师为特定患者开具临时处方不属于侵权行为。与美国和欧洲不同的是,在巴西,从事复方的药房大约有16000家,只占市场的一小部分,它们每年会处理超过6000万个处方。如果这类药店对大型制药公司不会造成威胁,那么数字化药房的技术飞跃可能会改变全球市场格局。

 

然而,这也可能引发严重的法律纠纷。其他已经获得专利的技术可以重新找回优势,这并不是因为新技术存在缺点,而是出于经济上的原因。例如,使用离子导入或超声导入的微针、促进药物释放的贴片等。

 

众所周知,制药行业通过扩大已有技术的适用范围来进行风险管理,而不是接受新产品。然而,这两者的区别在于需求链不同。这一差异不是来自负责产品设计和推广的制药公司,而是来自患者或医务人员。他们会对从事复方的小型药店提出要求,最终这一要求会被反馈到提供原材料的制造商那里。

 

随着这一领域的相关研究越来越多,以及药店开始对新技术进行小规模投资,制药行业可能会被迫对这些需求作出反应。因此,以上提到的风险最终会降低,前景也会更加乐观。

 

作为一种通用技术,FDM 3D打印技术广泛应用于生产多种给药装置。目前,来自世界各地的相关团队正在研究生产过程中的细微差别。尽管迄今为止已经取得了巨大进展,但还是有必要制定切实可行的计划,来改善这些产品的性能。

 

不可否认的是,3D打印在开发个性化药物方面拥有巨大潜力。然而,技术仍然是实际应用的基础。一套可行的生产流程需要制药公司(大规模生产原材料)和数字药房(根据患者的特定处方打印药物)的共同参与。此外,监管机构和专利代理机构应与制药公司合作,共同开辟3D打印药物的新市场。

 

【原文链接】

https://www.mdpi.com/1999-4923/11/3/128/pdf


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