3D打印技術(shù)在藥物制劑中的應(yīng)用和挑戰(zhàn)

作者：石靖 ,，王增明 ,，鄭愛萍

3D打印（three-dimensional printing,，3DP）是通過建立數(shù)字模型層層疊加,，逐層打印所需3D產(chǎn)品的技術(shù)。3D打印也被稱作“快速成型”（rapid forming）,，“固體自由成型”（solid free forming）和“增材制造”（additive manufacturing）,。為響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語的要求，美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)采用“增材制造”作為首選術(shù)語,，而不是“3D打印”,。無論是“增材制造”還是“3D 打印”，關(guān)鍵的區(qū)別在于最終產(chǎn)品來自原材料的連續(xù)疊加,，而不受設(shè)備和材料幾何形狀的影響,。3D打印技術(shù)具有較高的靈活性，可選用不同性能的材料,，如塑料,、金屬、石膏、聚合物,、復(fù)合材料甚至活體細(xì)胞,，經(jīng)過合理設(shè)計(jì)，控制打印過程中的工藝參數(shù)與系統(tǒng)參數(shù),，從而制備出具有各種幾何形狀和功能的三維產(chǎn)品,。近幾十年， 3D打印技術(shù)發(fā)展十分迅速,，在航天航空,、機(jī)械制造、建筑工程及生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域均得到了實(shí)際應(yīng)用,。然而,，它在制藥領(lǐng)域仍處于起步階段。自20世紀(jì)90年代初期以來,，很多研究機(jī)構(gòu)一直在進(jìn)行對(duì)3D打印藥物遞送裝置（drug delivery device,，DDD）在藥物制劑中應(yīng)用的研究，直到2015年7月,，全球首款由3D打印技術(shù)研發(fā)制備的左乙拉西坦速溶片（商品名：Spritam®）獲得美國FDA批準(zhǔn)上市,，從而使3D打印技術(shù)在藥物制劑領(lǐng)域獲得了極大的關(guān)注，也引發(fā)了國內(nèi)外科學(xué)家新一輪的研究熱潮,。本文對(duì)近年來應(yīng)用較多的 3D打印技術(shù)及其在藥物制劑中的應(yīng)用進(jìn)行綜述,。

1 3D打印技術(shù)的分類
3D打印的核心思想最早起源19世紀(jì)末的美國，但是直到20世紀(jì)80年代中期才有了雛形,，1986年美國人Charles Hull應(yīng)用立體光固化成型技術(shù)（SLA）發(fā)明了第一臺(tái)3D打印機(jī),。按 照 美 國 材 料 與 試 驗(yàn) 協(xié) 會(huì)（American Society for Testing and Materials，ASTM）國際標(biāo)準(zhǔn)組織F42增材制造技術(shù)委員會(huì)（ASTM International Technical Committee F42 on Additive Manufacturing Technologies）的分類,，增材制造技術(shù)有7種成型工藝,，如表1所示。

應(yīng)用在藥物制劑領(lǐng)域的主要3D打印技術(shù)包括：黏結(jié)劑噴射技術(shù),、材料擠壓技術(shù),、SLA。


1.1   黏結(jié)劑噴射技術(shù)

黏結(jié)劑噴射技術(shù)是用于制劑生產(chǎn)的主要3D打印技術(shù),。典型黏結(jié)劑噴射型3D打印機(jī)如圖1所示,。在該示意圖中，首先用鋪粉輥將粉末均勻地鋪在打印機(jī)操作臺(tái)上,，打印頭在設(shè)定好的路徑下，以精確的速度將含有黏結(jié)劑或者藥物的液滴噴射到粉末床上,。然后,，操作臺(tái)下降一定距離，再鋪灑粉末、滴加液體,，如此反復(fù),，按照“分層制造、逐層疊加”的原理制備出所需產(chǎn)品,。打印過程中未結(jié)合的粉末用作打印產(chǎn)品的支撐材料,；打印機(jī)內(nèi)的液體制劑可以僅含有黏結(jié)劑，粉末床可含有活性藥物成分（API）和其他賦形劑,；也可以將API 作為溶液或納米顆粒懸浮液噴射到粉末床上,。

該技術(shù)工藝操作中，可調(diào)節(jié)的參數(shù)主要包括：打印液的流速和液滴直徑,，噴頭移動(dòng)速度,，噴嘴與粉末床的距離，粉末鋪層厚度,，噴涂的次數(shù),、角度和位置，滴間距和線間距,，以及打印飽和系數(shù)等,。通過對(duì)這些參數(shù)的調(diào)節(jié)，可獲得所需制劑的微觀結(jié)構(gòu)特性,、載藥特性等,。

黏結(jié)劑噴射技術(shù)的固化機(jī)制與濕法制粒機(jī)制相同：在顆粒之間形成基于黏結(jié)劑的固體橋或通過溶解和重結(jié)晶來形成顆粒。同傳統(tǒng)制粒技術(shù)一樣,，使用黏結(jié)劑噴射技術(shù)時(shí)溶劑的選擇和粉末的性質(zhì)會(huì)對(duì)干燥后API的晶型產(chǎn)生影響,。由于與傳統(tǒng)制劑生產(chǎn)中使用的制粒技術(shù)有諸多相似之處，黏結(jié)劑噴射技術(shù)有廣泛可選的原輔料種類并且在藥物制劑中的應(yīng)用前景廣闊,。


1.2   材料擠壓技術(shù)
材料擠壓技術(shù)是全球范圍內(nèi)最廣泛使用的3D打印技術(shù),，藥物制劑領(lǐng)域?qū)υ摷夹g(shù)的關(guān)注度也不斷增長。在打印過程中,，材料從機(jī)器噴嘴擠出,，與需要粉末床的黏結(jié)劑噴射技術(shù)不同，材料擠壓技術(shù)可以在任何基板上進(jìn)行打印,。但是,，由于缺少粉末床，擠出的物體通常需要較多的支撐材料,。各種各樣的材料都可以被用于材料擠壓技術(shù),，包括熔融聚合物、漿料,、膠體懸浮液,、硅膠和其他半固體材料。

材料擠壓技術(shù)中最常見的是FDM。FDM是通過把熱熔性材料加熱到臨界狀態(tài),，使其呈現(xiàn)半流體狀態(tài),，然后噴頭會(huì)在軟件控制下沿設(shè)計(jì)好的軌跡運(yùn)動(dòng)，將半流動(dòng)狀態(tài)的材料擠壓出來,，材料瞬時(shí)凝固,，層層打印成所需的產(chǎn)品。與其他擠出系統(tǒng)使用液體或半固體材料進(jìn)行打印不同的是,，F(xiàn)DM系統(tǒng)使用固體聚合物材料,，將其驅(qū)動(dòng)到加熱的噴頭中進(jìn)行熔融打印。FDM主要工藝參數(shù)包括噴嘴直徑,、噴頭溫度,、填充速度、擠出速度,、分層厚度,、環(huán)境溫度、延遲時(shí)間等,。

相對(duì)于黏結(jié)劑噴射技術(shù),，F(xiàn)DM和其他擠出系統(tǒng)具有更簡單的設(shè)備和更靈活的產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力，尤其是對(duì)于復(fù)雜藥物制劑的設(shè)計(jì),。缺點(diǎn)包括打印過程需要加熱,，需要打印支撐材料和較慢的打印速度，而且通常擠出材料比噴射材料更黏稠,，這會(huì)增加打印過程中啟動(dòng)和停止打印流體流動(dòng)所需的時(shí)間,。盡管材料擠壓技術(shù)具有局限性，但該技術(shù)簡單且靈活,，已被開始用于藥物制劑產(chǎn)品的開發(fā),。


1.3   立體光固化成型技術(shù)

SLA是最早商業(yè)化使用的3D打印技術(shù)之一。SLA成型機(jī)按英文全稱“stereo lithography apparatus”可直譯為“立體平板印刷設(shè)備”,，我國通常稱之為立體光固化成型機(jī),，它是實(shí)現(xiàn)容器內(nèi)光聚合工藝的一類增材制造裝備。SLA工作原理為使用紫外（UV）激光光束通過數(shù)控裝置控制的掃描器,，按設(shè)計(jì)的掃描路徑照射到液態(tài)光敏材料表面,，使表面特定區(qū)域內(nèi)的一層材料固化后，升降臺(tái)下降一定距離,，固化層上覆蓋另一層液態(tài)光敏材料,，再進(jìn)行第二層掃描，第二固化層牢固地黏結(jié)在前一固化層上,，這樣一層層疊加而成三維產(chǎn)品,。SLA技術(shù)需要控制的主要參數(shù)是固化層的厚度,，其主要取決于光敏材料所暴露的光能量。另外,，光敏材料的選擇也是至關(guān)重要的，應(yīng)能滿足用紫外光照射時(shí)的快速固化,。

SLA技術(shù)已成功應(yīng)用于組織工程 [19] 和定制外科植入物的原型制作,。SLA打印的高精度和高分辨率使其成為制備具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的藥物遞送系統(tǒng)的有吸引力的方法 [21]。在藥物制劑領(lǐng)域,，SLA已經(jīng)被研究用于制造透皮貼劑,、環(huán)形片劑和微針等，使用的基礎(chǔ)材料為聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）,。

然而,， SLA也有一定的局限性，阻礙了其在藥品制造領(lǐng)域的使用,。首先,，其在藥物制劑中的使用受到生物相容性光聚合材料的限制。其次,，SLA主要使用單一材料打印,，很難用于制造使用多種材料的制劑，例如復(fù)雜載藥結(jié)構(gòu)制劑,。最后,，為了能夠制造具有更高藥物載量的釋藥系統(tǒng)，原料藥必須充分溶解于聚合物中,，但現(xiàn)有研究表明,，溶解于光聚合物中的藥物載量僅有1%~5.9%，而這限制了SLA在高載藥釋藥系統(tǒng)中的應(yīng)用,。但有研究顯示,，SLA可以實(shí)現(xiàn)含有均勻混懸顆粒的聚合物（載藥高達(dá) 53%）的打印，從而解決載藥量低的問題,。

2 3D打印技術(shù)在藥物制劑中的應(yīng)用

麻省理工學(xué)院Sachs等曾于1998年申請(qǐng)了全球首個(gè)3D打印技術(shù)專利,，該專利起初主要被用于汽車部件生產(chǎn)等方面，后來逐漸用于醫(yī)用假體,、組織工程材料,、醫(yī)療器械與釋藥系統(tǒng)。2013年以前,，每年發(fā)表的基于3D打印技術(shù)的釋藥系統(tǒng)相關(guān)SCI論文不到20篇,；然而，當(dāng)人們認(rèn)為3D打印技術(shù)用于藥物研發(fā)尚在起步階段時(shí),，美國FDA已批準(zhǔn)了全球首個(gè)應(yīng)用3D打印技術(shù)的新藥,。因此,，技術(shù)的發(fā)展速度往往出人意料。在藥物制劑領(lǐng)域,，該技術(shù)具有空間分布精確,、釋放精準(zhǔn)、藥物劑量可控等優(yōu)勢(shì),，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)制藥技術(shù)的不足,，發(fā)展前景極為廣闊。以下重點(diǎn)對(duì)3D打印技術(shù)在幾種常見劑型,，如片劑,、植入劑、透皮給藥制劑中的應(yīng)用進(jìn)行概述,。


2.1   片劑

研究人員最早使用黏結(jié)劑噴射技術(shù)進(jìn)行3D打印片劑的開發(fā)工作,，Katstra等使用黏結(jié)劑噴射技術(shù)，通過調(diào)節(jié)黏結(jié)劑或聚合物濃度,，獲得了與傳統(tǒng)制造工藝硬度和脆碎度相當(dāng)?shù)钠瑒�,；然而，相比于使用傳統(tǒng)壓片工藝制備的片劑,，使用黏結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)制備的片劑通常更加疏松多孔且更易碎,。

Aprecia公司在收購麻省理工學(xué)院3D藥物打印技術(shù)后，開發(fā)了名為 ZipDose的技術(shù)平臺(tái),，并以3D打印的模式層層制備Spritam®片劑,，規(guī)格包括250、500,、750 和1000 mg,。該制劑內(nèi)部呈多孔狀，內(nèi)表面積大,，且制劑表面覆蓋有親水材質(zhì),，當(dāng)用一口液體服用時(shí)，Spritam® 在口腔中平均崩解時(shí)間為11s（范圍為2~27s）,，產(chǎn)生可吞咽的小顆粒,。通過實(shí)驗(yàn)比較，Spritam® 速溶片在水中的擴(kuò)散程度要明顯大于傳統(tǒng)片劑,，在少量水中4s即完全崩散,。相比于傳統(tǒng)藥品， Spritam® 最大優(yōu)勢(shì)就是能讓兒童,、老人或有精神障礙等吞咽困難的患者更好地服藥,，此外，其載藥量高（即輔料少）是該技術(shù)的另一個(gè)重要特點(diǎn),。

隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展,，其在緩控釋制劑制備上的優(yōu)勢(shì)越發(fā)突出,。張惠檄等 [33] 使用擠壓式3D打印技術(shù)打印了不同形狀的阿司匹林雙層片，包括速釋層包合緩釋層的包合打印雙層片,、速釋層在外緩釋層在內(nèi)的同心圓柱體打印片,，以及速釋層在內(nèi)緩釋層在外的同心圓柱體打印雙層片。將3D打印阿司匹林雙層片與傳統(tǒng)壓片機(jī)壓制的阿司匹林雙層片進(jìn)行比對(duì),，各制劑起始均由速釋層快速釋放,，打印雙層片的初始釋放比傳統(tǒng)雙層片更快，且最終釋放量明顯高于壓片雙層片,；而且3D打印機(jī)打印的不同形狀的片劑具有不同的釋放曲線，表明通過程序化設(shè)計(jì)打印片結(jié)構(gòu),，可以獲得所需藥物釋放行為的片劑,。Khaled等使用擠壓式3D打印技術(shù)制備了含5種藥物的復(fù)方片劑（見圖 2），用于心血管疾病的治療,，該制劑包含 2 種獨(dú)立的釋放機(jī)制,，其中阿司匹林和氫氯噻嗪為速釋部分，普伐他丁,、阿替洛爾和雷米普利為緩釋部分,。制備工藝為將不同原輔料進(jìn)行搭配，制備成適宜擠出的軟材,，采用材料擠壓式3D打印機(jī)按照計(jì)算機(jī)CAD模型設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu),，使用特定的噴頭擠出不同組分的軟材，然后將打印的片劑置于烘箱中干燥固化,，即得所需制劑產(chǎn)品,。體外釋放試驗(yàn)表明，該制劑能夠同時(shí)滿足5種藥物的釋放,，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明藥物與輔料之間無明顯相互作用,。該類復(fù)方片劑的研究表明，可以將單個(gè)藥物根據(jù)用藥需求組合成復(fù)雜制劑從而生產(chǎn)個(gè)性化藥片,，解決藥物不相容的問題,，并提高患者服藥的順應(yīng)性。


Justyna 等采用 FDM 研制了潑尼松龍緩釋片：首先,，將聚乙烯醇（PVA）絲材在潑尼松龍甲醇溶液中浸泡 24h,，使其充分載藥，然后放入烘箱中干燥至恒重,，通過計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)片劑打印參數(shù)和調(diào)節(jié)片劑三維尺寸等參數(shù),，即可打印得到不同規(guī)格（2 ~ 10 mg）的潑尼松龍緩釋片。利用 FDM 制備片劑時(shí),，常規(guī)的絲材浸泡式方法存在載藥量低的問題,。Pietrzak 等提出了通過熱熔擠出技術(shù)（HME）和 FDM 配合使用打印片劑的策略,，使其實(shí)現(xiàn)高載藥量的速釋或緩釋目標(biāo)，并使用該技術(shù)制備了茶堿控釋片,。研究中,，首先使用 HME 將茶堿和丙烯酸樹脂（Eudragit RL）的物理混合物熔融加工成載有茶堿的絲材；利用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)擬定尺寸的膠囊形片劑,；使用 FDM 3D打印機(jī)將載有茶堿的絲材根據(jù)設(shè)計(jì)的圖形打印成片劑,；3D打印片劑的 SEM 圖像顯示片劑由 200 μm 的薄層逐層打印而成（見圖 3），載藥量高達(dá) 50%,。并且僅通過調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)模型設(shè)計(jì)即可制得不同規(guī)格及大小的茶堿控釋片（見圖 4）,。與其他 3D打印材料相比，采用基于 HME 技術(shù)制備的絲材作為 FDM 3D 打印機(jī)的起始材料具有載藥量高,、易于存儲(chǔ)等諸多優(yōu)點(diǎn),。

Wang等采用立體光固化成型技術(shù)以PEGDA為單體（即合成聚合物的小分子化合物），苯基雙 (2,，4,，6-三甲基苯甲酰基) 氧化磷為光引發(fā)劑,，分別以 4-氨基水楊酸和對(duì)乙酰氨基酚為模型藥物,，添加聚乙二醇（PEG）300 到打印液中，制備出具有特定釋藥行為的“甜甜圈”形狀的緩釋片（見圖 5） [23],。其中 4-氨基水楊酸和對(duì)乙酰氨基酚的載藥量分別為 5.40%和5.69%,，整個(gè)打印過程中，藥物幾乎未發(fā)生任何降解,；而此前的FDM 3D打印試驗(yàn)顯示,，在打印過程中 4-氨基水楊酸緩釋片降解率高達(dá)50%。研究證明,， SLA 適用于遇熱不穩(wěn)定藥物制劑的制備,。

此外，不同于傳統(tǒng)壓片工藝,， 3D打印技術(shù)可以將藥物準(zhǔn)確定位于片劑中間或特定部位,，除了能精確地控制載藥量外，還能起到對(duì)藥物的保護(hù)作用,，并防止有毒或高活性藥物在生產(chǎn)過程中帶來的勞保問題,。


2.2   植入劑

植入式給藥系統(tǒng)（implantable drug delivery system，IDDS）系由藥物與賦形劑經(jīng)過一定的工藝制備成的一種供腔道,、組織或皮下植入用的無菌固體控釋制劑,。傳統(tǒng)制備工藝是先將藥物和輔料粉末混合均勻，然后灌注到合適的模具中,。該法難以準(zhǔn)確控制植入劑的內(nèi)部結(jié)構(gòu),，因而對(duì)其療效的發(fā)揮會(huì)產(chǎn)生一定影響,。

在發(fā)明粉液3D打印技術(shù)后，麻省理工學(xué)院的研究人員使用3D打印技術(shù)研發(fā)了可生物降解的植入物,，證明了該技術(shù)用于藥物遞送裝置的可行性,。Wu等使用 3D打印技術(shù)，以聚環(huán)氧乙烷作為聚合物基質(zhì),，聚己內(nèi)酯（PCL）作為控釋組分,，并用亞甲基藍(lán)和茜素黃染料作為原料的替代物制備各種植入系統(tǒng)。這些研究表明,，與傳統(tǒng)工藝相比,， 3D打印能夠通過對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的精確控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)植入劑幾何形狀,、表面積,、內(nèi)部構(gòu)造以及影響釋放動(dòng)力學(xué)的其他屬性更好的控制，不僅可以使其在最大程度上與患者的給藥部位相吻合,，也可以顯著減少或消除突釋效應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)比常規(guī)植入劑制造技術(shù)更可控的零級(jí)釋放,。

黃衛(wèi)東比較了傳統(tǒng)工藝和 3D 打印技術(shù)制備慶大霉素植入式給藥制劑的結(jié)構(gòu),，環(huán)境掃描電子顯微鏡（environmental scanning electron microscope，ESEM）結(jié)果顯示,，采用上述2種方法制備的制劑均有明顯密布的空隙,，水分和體液均可透過空隙并進(jìn)入制劑內(nèi)部。3打印制備的植入劑,，其整個(gè)截面微孔分散均勻,，而傳統(tǒng)工藝制備的植入劑，其截面微孔較少且大多集聚在一起,，大小亦不均（見圖 6）,。課題組還對(duì)上述 2 種制劑的釋放行為進(jìn)行了比較，證實(shí)2種方法制備的制劑在體外均呈快速釋藥,。3D打印技術(shù)制備的植入劑,，其初始釋藥濃度相對(duì)較低，在快速釋藥后,，維持在 8 mg·L-1 以上質(zhì)量濃度平穩(wěn)釋放,，并隨時(shí)間延長而緩慢降低；傳統(tǒng)工藝制備的植入劑,，在 2 d 時(shí)獲得質(zhì)量濃度為 68 mg · L-1 的快速釋藥,，即藥物成分在初始階段大量釋放，后期只能維持約 2 mg · L-1 的質(zhì)量濃度,。Kempin等以奎寧為活性成分,，分別采用丙烯酸樹脂,、聚己內(nèi)酯、聚乳酸,、乙基纖維素作為載體,，利用 FDM 制備了活性成分均勻分散的植入劑。在 pH 7.4 磷酸鹽緩沖液中進(jìn)行的溶出研究顯示,， 4 組溶出曲線差異顯著,，提示使用該技術(shù)制備的植入劑可通過改變材料來獲得所需要的釋放行為。

2.3   透皮給藥制劑

透皮給藥系統(tǒng)（ transdermal drug delivery system,，TDDS）是指在皮膚表面給藥,，使藥物以恒定速率或接近恒定速率通過皮膚，進(jìn)入體循環(huán)并產(chǎn)生全身或局部治療作用的新劑型,，不但可以實(shí)現(xiàn)局部定位給藥,，避免肝臟首過效應(yīng)，而且可持續(xù)控制給藥速度,。3D打印技術(shù)用于透皮給藥制劑具有顯著優(yōu)勢(shì),，尤其是在微針及透皮貼劑領(lǐng)域。

Lu等采用 SLA 3D打印技術(shù),，以治療皮膚癌的達(dá)卡巴嗪為模型藥物,，打印了由25根聚富馬酸二羥丙酯微針組成的載藥微陣列，以實(shí)現(xiàn)化療藥物的透皮給藥,。其中,，微針的尖端和基部直徑分別為20和200μm，針頭長度僅1 mm,，測(cè)試結(jié)果證明,，這些微針完全能承受被插入患者皮膚后可能產(chǎn)生的壓力和應(yīng)力。體外釋放試驗(yàn)表明,，該載藥微針陣列可在長達(dá)5周的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)定位釋藥,。這種經(jīng)皮膚給藥的藥物傳遞系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于患者更加配合、能夠控制藥物釋放等,，也包括患者的無痛體驗(yàn),。

Goyanes等使用3D掃描技術(shù)和SLA 3D打印技術(shù)配合制備抗痤瘡?fù)钙べN劑。使用 3D 掃描技術(shù)獲得適合于患者鼻子形態(tài)的3D模型（見圖 7）,，使用 SLA技術(shù)根據(jù)3D模型打印鼻形個(gè)性化透皮貼劑（見圖8）,。在 SLA 打印過程中，藥物溶解在 PEGDA 和 PEG 的混合物中,，混合物通過激光束的作用而固化,。實(shí)驗(yàn)證明，與 FDM 法相比， SLA 3D打印裝置（鼻形）具有較高的分辨率和載藥量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1.9%）,，且沒有藥物降解,。該研究表明， 3D掃描和3D打印的結(jié)合可以提供生產(chǎn)個(gè)性化載藥裝置的解決方案,，其裝置形狀和尺寸適用于個(gè)體患者的治療,。

3 3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及意義

雖然目前傳統(tǒng)藥物生產(chǎn)相對(duì)于3D打印制藥在批量和成本上更有優(yōu)勢(shì)，但是在設(shè)計(jì)上不夠靈活,；使用3D打印可以徹底改變藥品生產(chǎn)的方式,，使其從“一刀切”向個(gè)性化、按需制造轉(zhuǎn)變,。3D打印與傳統(tǒng)制造相比所具有的優(yōu)勢(shì)包括：產(chǎn)品設(shè)計(jì)復(fù)雜度,、產(chǎn)品個(gè)性化和按需制造，這三大優(yōu)勢(shì)促進(jìn)了3D打印藥品的開發(fā),。


3.1   產(chǎn)品設(shè)計(jì)復(fù)雜度

傳統(tǒng)制藥技術(shù)不具備良好的微觀精確控制與空間精準(zhǔn)調(diào)控能力,，與復(fù)雜的劑型設(shè)計(jì)不相匹配，藥物3D打印技術(shù)于1996年被首次提出,，引發(fā)了劑型變革的新思路,，即劑型開發(fā)的數(shù)字化設(shè)計(jì)。使用20世紀(jì)技術(shù)生產(chǎn)的藥品,，藥物和輔料在產(chǎn)品中的分布幾乎完全通過混合或包衣來控制,，而劑型開發(fā)的數(shù)字化設(shè)計(jì)使劑型發(fā)展產(chǎn)生了突破性的變化，使其可以在速釋制劑,、改良型制劑以及復(fù)方制劑的開發(fā)中發(fā)揮重要作用。

3D打印技術(shù)通過控制制劑的外部形狀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以制備出具有多種結(jié)構(gòu)和釋放機(jī)制的制劑,，為藥物遞送系統(tǒng)創(chuàng)造了新的機(jī)遇,。例如， 2015年由FDA批準(zhǔn)的3D打印藥品Spritam®在不壓縮的情況下使粉末黏合,，內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)使其比傳統(tǒng)的速釋制劑具有更快的溶出,。提高溶出度的策略還包括打印高表面積形狀的制劑和通過熱熔擠出打印無定形固體分散體，還有研究人員已經(jīng)使用3D打印技術(shù)打印了極低劑量的產(chǎn)品,，規(guī)格低至3 ng,， RSD 為 10%，證明3D打印技術(shù)有望用于傳統(tǒng)工藝難以實(shí)現(xiàn)的極低劑量規(guī)格產(chǎn)品的制備,。

盡管3D打印可用于速釋制劑,，但大多數(shù)3D打印研究都側(cè)重于改良型制劑。對(duì)于尋求更好的控釋動(dòng)力學(xué)和藥物靶向的藥物開發(fā),，具有較高設(shè)計(jì)復(fù)雜度的3D打印技術(shù)被認(rèn)為是一個(gè)強(qiáng)有力的工具,。3D打印可以通過打印材料的選擇、模型的設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)來控制制劑的外觀形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu),、各區(qū)域材料組成等因素,，從而更好地控制藥物釋放周期、釋放位置及釋放速率等,。近年來,，研究人員正在探索新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝，以實(shí)現(xiàn)新的釋藥機(jī)制,。此外,，數(shù)字化設(shè)計(jì)對(duì)于制造復(fù)雜的藥械組合產(chǎn)品非常有幫助，研究人員已經(jīng)使用3D打印技術(shù)打印了無線觸發(fā)膠囊和比一粒米還要小的磁控微載藥系統(tǒng),，用于設(shè)備控制的口服給藥,。隨著對(duì)藥械組合產(chǎn)品興趣的不斷增加，研究人員將使用3D打印技術(shù)繼續(xù)開展該領(lǐng)域的研究創(chuàng)新,。


3.2   產(chǎn)品個(gè)性化

個(gè)性化用藥是指在充分考慮每個(gè)病人的性別,、年齡、體質(zhì)量或遺傳因素,、生理病理特征等綜合情況的基礎(chǔ)上制定安全,、合理、有效的藥物治療方案,。但目前的藥物劑量是標(biāo)準(zhǔn)化的,，患者往往需要依靠掰開藥片獲得所需劑量，但通過這種方式無法得到非常精確的劑量,，因此標(biāo)準(zhǔn)化劑量的藥物無法滿足所有患者的需求,。而與傳統(tǒng)制藥相比， 3D打印技術(shù)更有助于實(shí)現(xiàn)用藥個(gè)性化,，因?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)的調(diào)整遠(yuǎn)比設(shè)備的改造更容易,，其高度靈活性可以通過修改藥片尺寸或填充百分率來實(shí)現(xiàn)劑量變化，藥劑師可以根據(jù)患者的性別,、年齡,、種族等信息確定最適宜患者的給藥劑量和給藥形式，然后通過3D打印技術(shù)制備出相關(guān)制劑,，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)患者的個(gè)體化用藥有重要意義,，而且自動(dòng)化小規(guī)模的3D打印運(yùn)營成本基本可以忽略。簡而言之,， 3D打印技術(shù)在小型化,、個(gè)性化批次的生產(chǎn)上是經(jīng)濟(jì)可行的。

3D打印技術(shù)在兒童用藥方面也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),，可以確保不同成長階段的兒童能夠獲得準(zhǔn)確的藥物劑量,，并能實(shí)現(xiàn)高活性藥物的個(gè)體化劑量給藥,。3D打印技術(shù)可以精確控制片劑外觀，使用彩色3D打印技術(shù)可以打印出特定顏色和形狀的制劑,，還可以按照兒童喜歡的形狀打印出不同的卡通動(dòng)物藥片,，從而大大提高臨床上兒科用藥的患者依從性。此外,，個(gè)性化給藥還包括打印多種藥物組合物,，將患者需要服用的多種藥物組合成單一的日劑量，從而方便服用,，這對(duì)老年患者來說非常便利,，可以防止藥物漏服。


3.3   按需制造

3D打印按需制造在時(shí)間或資源有限的條件下意義重大,，例如在災(zāi)區(qū),、急診室、手術(shù)室,、救護(hù)車,、重癥監(jiān)護(hù)室以及軍事行動(dòng)中。現(xiàn)階段,，3D打印技術(shù)在加速新藥研發(fā)方面具有很大的價(jià)值,，在新藥的臨床研究過程中，如果患者對(duì)某一劑量的藥物沒有反應(yīng),，那么通過3D打印可以迅速制造出不同劑量的藥品,，這將縮短藥物的研發(fā)周期。不僅是在新藥的臨床研究階段,，在藥物早期研發(fā)階段,， 3D打印技術(shù)也能夠發(fā)揮類似作用。近年來制藥行業(yè)面臨的壓力越來越大,，在藥物開發(fā)的早期階段,，開發(fā)失敗率很高，因此企業(yè)希望通過盡可能節(jié)約成本的方式識(shí)別候選藥物分子,。潛在的藥物必須通過臨床前研究，才能進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段,，部分研究涉及到測(cè)試不同的制劑和劑量以確定其效果,。3D打印可以作為替代方案通過提供快速靈活的方法來生產(chǎn)具有不同成分或劑量的小批量藥物，從而加速藥物的研發(fā),。傳統(tǒng)的制造工藝往往不支持這種需求,，除了劑量不靈活外，還存在藥物溶解度和液體制劑穩(wěn)定性的問題,。

此外,，與傳統(tǒng)制造庫存積壓不同的是， 3D打印可以在當(dāng)?shù)赝瓿砂葱枭�產(chǎn)，這意味著不存在庫存,、運(yùn)輸,，甚至浪費(fèi)等問題；同時(shí)該技術(shù)還能使供應(yīng)短缺,、大型藥廠較難生產(chǎn)出的藥物制造變得更加容易,。



4 3D打印技術(shù)目前存在的問題
雖然3D打印技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)，且非常有希望用于個(gè)性化劑型的制造,，但在廣泛用于制藥領(lǐng)域之前,，仍需要克服一系列技術(shù)和監(jiān)管方面的挑戰(zhàn)。


4.1   設(shè)備及工藝

制藥領(lǐng)域常用的3D打印技術(shù)（如黏結(jié)劑噴射技術(shù),、材料擠出技術(shù)）均依賴于打印噴頭,，根據(jù)模型設(shè)計(jì)層層打印構(gòu)建有序的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。由于打印噴頭在打印單個(gè)或多個(gè)產(chǎn)品期間需要多次停止和重新啟動(dòng),，因此對(duì)于整個(gè)生產(chǎn)過程需維持可重現(xiàn)且均一的噴液產(chǎn)生了巨大的挑戰(zhàn),。例如，在黏結(jié)劑噴射型3D打印過程中,，3D打印機(jī)的噴嘴堵塞,、黏結(jié)劑的遷移和滲漏以及粉末進(jìn)料差異和可能的刮擦都是需要解決的問題。此外,，黏結(jié)劑噴射型3D打印過程中多余粉末的回收和處理也是生產(chǎn)中必須要考慮的,，而且要關(guān)注潛在的職業(yè)健康危害。同時(shí),，與傳統(tǒng)制藥工藝相比,，3D打印藥物制劑產(chǎn)業(yè)化成本仍然較高。


4.2   產(chǎn)品外觀

3D打印的另一個(gè)缺陷是產(chǎn)品外觀,，由于不同聚合物或粉末的彼此堆疊而可能出現(xiàn)產(chǎn)品的表面缺陷,，如片劑表面粗糙度、硬度,、脆碎度等,，而且打印噴頭噴出的黏結(jié)劑應(yīng)能形成連續(xù)穩(wěn)定的液滴，但黏結(jié)劑的黏度,、表面張力以及噴頭的精細(xì)化程度等因素均會(huì)對(duì)此產(chǎn)生影響,。此外，打印之后的處理過程諸如干燥方法,、干燥時(shí)間和溫度均可能會(huì)影響最終產(chǎn)品的外觀和質(zhì)量,。這在基于黏結(jié)劑噴射技術(shù)和材料擠出技術(shù)的3D打印中是非常重要的。


4.3   打印材料

到目前為止,，與傳統(tǒng)的制藥工藝相比,，可用于3D打印的材料相對(duì)有限,。對(duì)于 FDM，需要使用熱塑性聚合物通過從打印噴頭擠出來制造產(chǎn)品,。對(duì)于 SLA,，打印材料被限定為光敏聚合物。目前能夠滿足要求且適用于3D打印制劑生產(chǎn)的材料種類較少,，特別是對(duì)于個(gè)體化給藥的特殊劑型,，可能需要量身定制的打印材料，而相容性和毒副作用卻限制了其他領(lǐng)域材料在藥物制劑中的應(yīng)用,。


4.4   監(jiān)管挑戰(zhàn)

3D打印工藝的獨(dú)特特點(diǎn),，為使用3D打印工藝的藥品上市前及上市后的監(jiān)管，以及質(zhì)量評(píng)價(jià)提出了諸多問題,。

美國 FDA 已經(jīng)通過 510(k) 審查并通過了許多3D打印的非植入和植入式醫(yī)療器械,。2017年12月，美國 FDA 發(fā)布了增材制造醫(yī)療器械技術(shù)考量指南,，提供了3D打印產(chǎn)品用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用的初步監(jiān)管要求,，為確保法規(guī)的監(jiān)管方式適合此種獨(dú)特的創(chuàng)新技術(shù)，該指南的建構(gòu)基于美國 FDA 對(duì)100多項(xiàng)使用3D打印的醫(yī)療產(chǎn)品進(jìn)行審查的經(jīng)驗(yàn),，包含有膝蓋置換物,、植入物、重建顱骨及 FDA 批準(zhǔn)的全球首款3D打印藥片,。其中提到對(duì)于3D打印醫(yī)療器械的制造,，質(zhì)量體系控制應(yīng)該包括物料控制、設(shè)計(jì),、軟件,、構(gòu)建或生產(chǎn)過程、打印后操作（如清洗,、滅菌,、包裝等）、終產(chǎn)品質(zhì)量控制等所有過程,，以確保產(chǎn)品質(zhì)量,，但該指南也指出，目前并不能涵蓋所有的監(jiān)管技術(shù)要求,。

雖然FDA批準(zhǔn)了第一個(gè)在 505(b)(2) 途徑下提交的3D打印口服劑型,，目前尚沒有關(guān)于3D打印藥品方面相關(guān)的法規(guī)和指導(dǎo)原則。隨著3D打印技術(shù)在制藥領(lǐng)域的應(yīng)用,，相關(guān)技術(shù)的審評(píng)和監(jiān)管也面臨很多未知的問題,，比如：3D打印設(shè)計(jì)中影響藥物釋放速率和機(jī)制的關(guān)鍵因素是什么,，如何確定某個(gè) 3D幾何設(shè)計(jì)不能達(dá)到預(yù)期的效果,；如何評(píng)估3D打印藥品的性能,，是否可以使用傳統(tǒng)的體外測(cè)試方法來評(píng)價(jià) 3D打印藥品；如何界定每種3D打印技術(shù)的關(guān)鍵工藝參數(shù),， 3D打印中間產(chǎn)品的關(guān)鍵特性有哪些,；如何進(jìn)行3D打印制藥的質(zhì)量控制，傳統(tǒng)的質(zhì)量評(píng)估方法是否適用,，需要什么樣的過程控制和驗(yàn)收方法等,。

目前FDA藥品審評(píng)和研究中心藥品質(zhì)量辦公室的測(cè)試和研究辦公室（ CDER OTR）正在通過開展研究來解決其中一些問題，與此同時(shí),， FDA推出了旨在推進(jìn)醫(yī)藥創(chuàng)新和現(xiàn)代化先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用的指南,，其中也包括了連續(xù)制造、 3D 打印技術(shù)等等,，對(duì)有意提交含有新興技術(shù)的申請(qǐng)人在其研究和質(zhì)控方面提出了一些研究和申報(bào)建議,。我國的制劑領(lǐng)域的專家，也在推進(jìn)這一領(lǐng)域的探索和研究,。相信科學(xué)研究的深入,、實(shí)踐技術(shù)的進(jìn)展以及相關(guān)監(jiān)管法規(guī)的完善，必將推動(dòng)3D打印在制藥行業(yè)的應(yīng)用,，實(shí)現(xiàn)從理論探索進(jìn)入到現(xiàn)實(shí)革命的一個(gè)飛躍,。



5 結(jié)語
3D打印能夠按需打印復(fù)雜的個(gè)性化產(chǎn)品，與傳統(tǒng)藥物制備工藝相比,， 3D打印技術(shù)具有極高的可控性和靈活性,，非常適合個(gè)性化制劑及創(chuàng)新型制劑的制造。由于臨床對(duì)個(gè)性化劑量和特定藥物釋放行為產(chǎn)品的需求不斷增長,，3D打印技術(shù)在各種藥物遞送系統(tǒng)的開發(fā)及生產(chǎn)中的應(yīng)用會(huì)不斷增加,，以更好地解決復(fù)雜給藥方案和特定患者人群的給藥問題。近年來,，研究人員研發(fā)了數(shù)十種3D打印創(chuàng)新產(chǎn)品,，以提高藥物的安全性、有效性和耐受性,，該技術(shù)的商業(yè)可行性已通過FDA于2015 年7月批準(zhǔn)的3D打印藥片所證實(shí),。雖然3D打印技術(shù)仍存在諸多技術(shù)及監(jiān)管方面的挑戰(zhàn)，但相信通過進(jìn)一步的發(fā)展,，目前存在的問題都會(huì)得到很好的解決,。3D打印將為醫(yī)藥發(fā)展帶來新的機(jī)遇和希望，必將加速個(gè)性化,、智能化給藥時(shí)代的到來,。

作者：石靖 1，王增明 2,，鄭愛萍 2

（1.國家藥品監(jiān)督管理局藥品審評(píng)中心,，北京 100038,；2.軍事醫(yī)學(xué)研究院毒物藥物研究所，北京100850）