药学学报  2016, Vol. 51 Issue (11): 1659-1665   PDF    
基于熔融沉积成型的3D打印在药物制剂中的研究进展
何冬林, 韩福国, 王钊, 刘清飞     
清华大学药学院, 北京 100084
摘要: 3D打印是基于数字控制下堆积材料的增量成型方法,而熔融沉积成型是3D打印中常用的技术手段,它通过加热熔化打印材料来构建3D物体。本文回顾近年来基于熔融沉积成型的3D打印在药物制剂方面的研究进展,并总结此项技术的优势之处和限制因素。
关键词: 3D打印     熔融沉积成型     药物传递系统     热熔挤出    
A review of 3D printing via fused deposition modeling in pharmaceutics
HE Dong-lin, HAN Fu-guo, WANG Zhao, LIU Qing-fei     
School of Pharmaceutical Sciences, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract: Three dimensional printing (3D printing) has been known as additive manufacturing technique based on digitally-controlled deposition of materials. Fused deposition modeling (FDM) is one of techniques commonly used in 3D printing, in which materials are soften or melt by heat to create objects during printing. This paper is prepared to review the research and application of 3D printing via FDM in the pharmaceutical sciences, including its advantages and limitations.
Key words: 3D printing     fused deposition modeling     drug delivery system     hot melt extrusion    
1 3D打印原理

3D打印 (3D printing,3DP) 又被称为增量成型技术,是一种以数字模型文件为基础,使用金属、塑料等可黏合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的快速成型技术。目前,3DP已被应用到建筑、材料、化工和航空航天等多个领域。近年来3DP开始应用到医药领域,其自由成型的特性能符合不同患者个性化的需求,常用在组织工程中制造生物支架,进而在再生医学中与干细胞治疗联用[1, 2]。而在药物制剂领域,3DP也开始作为新型的制剂方式受到重视。现阶段研究3DP药物技术并非是为了取代传统的药物制剂技术,因为3DP的速度一般情况下并不快于传统制剂的制备,但3DP在制备特殊形状的药片、调控药物固体存在形式比例 (无定形态或晶体)、根据患者状况定量配药和按需配药、制备复方药物制剂 (polypill) 等方面存在独特的优势[3],与医药领域个体化医疗和联合用药的新理念相符,成为设计药物传递系统的新工具。

早期的3DP药物多使用喷墨−粉床 (inkjet printing with powder bed) 技术,通过喷墨头喷出的液滴将预先铺好的固体粉末黏合来逐层构造物体。喷墨−粉床技术的基本原理源自Sachs等[4]申请的专利。计算机预先设计好打印物体的数字模型文件,模型中物体被视作一层层的2D图案堆叠而成(图 1a)。在计算机控制下,喷墨头在铺满固体粉末的底板 (粉床) 滴黏合剂 (“墨水”) 使粉末黏结,自底层开始将各层逐一打印成型,经过一定处理后,最终实现3D物体成型 (图 1b)。

Figure 1 3D printing (3DP) via inkjet printing with powder bed. a: Representation of a 3D model b: Basic structures of a 3D printer

除早期的粉床技术外,多种成型技术引入3DP中,如激光烧结、光固化和加压挤出等。在药物制剂领域中,以各类成型技术为基础设计的缓释片[5]、控释片[6]和速崩片[7]等相继被制造出来。在2015年,基于粉床技术3DP的抗癫痫口服类药物Spritam成为 首例被美国食品药品监督管理局 (FDA) 批准的3DP药物[8],表明3DP在药物制剂中的可观前景。近年来,熔融沉积成型技术 (fused deposition modeling,FDM) 脱颖而出,受到3DP药物研究者们的重视。

2 熔融沉积成型技术

FDM是近年来兴起的一种3DP技术,其基本原理如下[9]: 在计算机控制下,线状的原材料 (通常为塑料) 被齿轮带动向下,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,冷却成形。在打印好后一层材料,计算机控制3D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,如此往复直至打印完成。打印的物体经过一定的后处理 (如去除支撑结构等) 得到目标产物 (图 2)。

Figure 2 The process of 3DP via fused deposition modeling. a: Printing of the first layer; b: Falling down of the building platform along the Z axis; c: Printing of the last player; d: Molding of the 3DP product

FDM常用的打印材料为可生物降解的固态聚合物线材,如聚乳酸(polylatic acid,PLA)、聚己内酯 [poly(ε-caprolactone),PCL] 和丙烯腈−丁二烯−苯乙烯共聚物 (acrylonitrile butadiene styrene copolymers,ABS) 等,这些原料成本较低,且多为生物可降解,对环境污染小。FDM打印机操作简便,可以通过计算机控制打印速度、挤出头温度和填充率等调控物体构造参数,同时不少FDM的打印机配置是开源的,方便使用者改装。这些条件使得FDM打印机的价格低廉,成为目前广泛流通的3D打印机类型。

FDM应用到药物制剂领域的研究重点是制造含有药物有效成分的打印材料以供3D打印,材料制造的关键是将药物掺入到高分子聚合物中。掺入方法有两种: 利用自由扩散的浸润法和利用高温熔融的热熔挤出法。

2.1 浸润型FDM

与传统制剂中常见的制粒过程类似,以往的3D打印技术常需用到溶剂,如上述提及的喷墨-分床技术所用的溶剂充当着将有效药物成分和药物辅料结合在一起的黏合剂作用; 与这些技术不同处在于,浸润型FDM中所用的溶剂并非直接与药物和药物辅料作用,而是充当使有效药物成分向聚合物线材扩散的介质。在浸润型FDM过程中,聚合物线材被浸润在含药物的溶液中,药物经过被动扩散载入到聚合物中,后续干燥处理后得到可用于打印的含药线材。Goyanes等[10]以此方法打印出载药量为0.29% 的荧光素−聚乙烯醇 (polyvinyl alcohol,PVA) 药片。PVA线材是一种易得的3D打印材料,同时也是生物可降解的亲水性骨架材料,与水接触形成凝胶,常作为口服给药、跨膜贴片和眼用贴片的缓释骨架。PVA线材置于荧光素的乙醇溶液中搅拌24 h后,干燥得到载药PVA线材,用以打印出不同填充率的片剂。载药后的PVA线在紫外线下显现出荧光,表明荧光素载入成功。打印过程中PVA的填充率越高,最终打印的药片的药物释放越慢。这可能是填充率高的药片PVA浓度高,具有较低的溶胀比,遇水形成的凝胶 层变厚,药物扩散释放减慢[11]。之后Goyanes等[12]以类似方法得到了4-氨基水杨酸(4-aminosalicylic acid,4-ASA) 和5-氨基水杨酸 (5-aminosalicylic acid,5-ASA) 的4-ASA/PVA和5-ASA/PVA片,其中药物的载药量分别为0.06% 和0.25% (w/w)。他们通过调控打印的填充率来改变药物的释放特性,得到与荧光素-PVA片类似的结果。4-ASA和5-ASA在3D打印过程后发生了部分降解,表明通过调控3D打印的填充率可改变药物的释放特性。

Skowyra等[13]用浸润的方法得到了含泼尼松龙(prednisolone) 的PVA线材。他们将PVA线浸入泼尼松龙饱和甲醇溶液中搅拌24 h后干燥,得到含泼尼松龙的PVA线材。经过相关预处理 (打印平台添加黏合剂、PVA线增塑、升高打印温度等),将线材打印出椭圆柱体状的药片。药片中泼尼松龙含量在1.9% 左右,主要以无定形态存在,释放时间可长达24 h以上。通过打印出不同体积和质量的药片,可建立药片质量和体积间相关关系,由此通过改变药片的大小调控有效药物成分剂量,进而调节药物的释放特性。

浸润是一种简便获取含药物聚合物线材的方法,但存在着各种限制因素,如浸润所需的时间较长; 浸润需要高浓度的药物溶液,而最终剂型的载药量却很低,存在着可能的原料浪费; 同时溶剂与聚合物间不能发生相互作用,限制了聚合物的适用范围; 浸润后需要经过干燥处理,降低了制剂效率。为此,替代浸润方法的热熔挤出 (hot melt extrusion,HME) 开始应用到FDM 3D打印过程中。

2.2 热熔挤出型FDM

HME是一种广泛应用在塑料、橡胶和食物等领域的成型技术。在HME过程中,挤出机通过螺杆旋转产生的压力和剪切力在高温下将物料充分混合后挤出成型。近年来研究者开始注意HME在药剂领域内的应用,通过HME可将药物装入载体形成固体分散体等,用以制备各种药物剂型如漂浮给药系统、植入剂等[14, 15]。在HME与FDM联用时,药物、聚合物和其他辅料 (如增塑剂) 充分混合后通过热挤出机加热挤出制成可供3DP的含药聚合物线材。与浸润型FDM相比,基于HME的FDM 3DP无需使用溶剂,提高了打印效率,能通过改变形状、更换打印聚合物材料和改变打印剂型等方式来调控药物释放特性,在制备固体药物剂型方面提升效率。

2.2.1 片剂的打印

早期的HME-FDM联用来 自Sandler等[16]报道。他们将抗菌药物呋喃妥因 (nitrofurantoin) 与PLA颗粒混合,在140~180 ℃下挤出成线; 呋喃妥因-PLA线在挤出头温度为200 ℃下打印。在抑制生物膜形成实验中,打印的呋喃妥 因-PLA片表现出比空白组 (PLA 85%) 的效率高。 实验中使用的聚合物PLA的降解较慢,这也导致了呋喃妥因-PLA片的药物释放缓慢,前6 h释放2%,186 h释放1%。虽然此实验缺乏一些细节上的数据如载药量的测定,但这项研究为3DP能制造出抗菌药物剂型提供了形式证明,表明了FDM 3DP能制备出发挥有效药物成分的剂型。随后的研究证明,FDM可通过打印不同形状、改变使用的聚合物种类和与传统制剂技术联用等方式调控片剂的药物释放性质。

Goyanes等[17]使用在浸润方法中常用的聚合物PVA,用HME-FDM方法制得扑热息痛 (paracetamol)- PVA片。为模拟商业的片剂,实验过程中并未使用增塑剂,而是将PVA颗粒与扑热息痛混合后热挤压成型的PVA-聚合物直接进行3DP。通过打印不同形状 (正方体、四棱锥、圆柱、球和环状) 以研究压片形状对药物释放的影响 (图 3),发现各类形状的药片的表面积和质量影响不大,而药片的表面积/体积比 (SA/V) 是决定药片释放速率的主要因素。药片释放速度 (四棱锥>环状 >正方体>球和圆柱) 与SA/V值大小相匹配 (四棱锥>环状 >正方体>球和圆柱); 形状为四棱锥型的药片释放速度最快 (90% 释放值在2 h以内),而球体形状的药片释放最慢 (12 h),与离散单元模型模拟的结果相吻合[18]。这表明3DP可通过构造不同的药片形状来调控药物的释放特性。此外,在改变药片形状时,传统药物需要预先制造对应形状的模具,而3DP能方便地在数字模型文件中通过修改实现,表明3DP在构造复杂形状上存在着独特优势,进而通过形状的改变影响药物释放的改变。

Figure 3 Paracetamol-PVA tablets with various shapes. a: 3D models of the 3D geometries printed; b: Images of 3DP tablets (up to down,at constant surface area; surface area/volume ratio; mass)

打印中使用不同的聚合物也能改变药物的释放性质。Pietrzak等[19]筛选了新种类聚合物,将茶碱 (theophylline)、多种品种的丙烯酸树脂 (Eudragit) 和增塑剂混合均匀后加入挤出机中,得到直径1.5 mm的含茶碱聚合物线材后,用该聚合物线成功打印出药片。增塑剂的使用能将线材的打印温度下降。差示扫描量热法 (DSC) 检测结果表明茶碱以晶体形式存在于药片中。他们尝试了更高分辨率的3DP,当打印层厚从400 μm降低到200、100 μm,药物的溶出并未受到太大的影响,打印时间反而增加。通过不同聚合物的加入,最终可得到不同药物含量的药片。当分别用不同的丙烯酸树脂Eudgrait RL、RS或两者的混合物作为打印聚合物时,药物的释放时间可长达16 h以上。表明FDM 3DP可通过选用不同的聚合物和掺入其他辅料来调节药物释放特性。

同时,FDM 3DP可与传统的制剂技术联用以期达到目标的释药效果。布地奈德 (budesonide) 能与糖皮质激素受体强烈结合,具有抗炎效果[20],常用于治疗炎症性肠病 (infammatory bowel disease,IBD)。在IBD的治疗过程中,布地奈德需抵达肠道中有效部位而不在过程中被降解,常需对布地奈德进行包衣处理。Goyanes等[21]以FDM 3DP的方法制备出 载药量约4% 布地奈德-PVA囊片,用Eudragit L100对其进行流化床包衣处理,得到对pH条件敏感的 片剂。研究人员将包衣后的布地奈德片与两种商业 片剂Cortiment和Entocort的药物释放作比较,发现Entocort在上端小肠快速释放,而Cortiment则释放较迟,释放速度较慢; 而3DP药片在小肠中段开始释放,在远端小肠和结肠持续释放至完毕,达到商业片剂的释放治疗效果,表明3DP药片与传统的药物制剂技术有较好的相容性,拓展了药物新剂型的可能性。

2.2.2 植入剂的打印

FDM也能打印出片剂以外的其他剂型。Genina等[22]使用乙烯−醋酸乙烯共聚物 (ethylene-vinyl acetate copolymer,EVA) 作为打印载体,打印出含吲哚美辛 (indomethacin) 的两类植入剂: 子宫内给药装置 (intrauterine system,IUS) 与皮下棒 (subcutaneous rod,SR)。不同种类的EVA中醋酸乙烯(vinyl acetate,VA) 含量不同,其理化性质有所差异。不同级别的EVA分别与药物混合后得到吲哚美辛-EVA线材,3DP制备出EVA-吲哚美辛剂型,根据线材的抗弯曲能力、流动性、打印温度和打印速度等参数筛选出效果最优的聚合物EVA 5。打印出的吲哚美辛-EVA的IUS和SR药物释放表现相似,表现为给药前几天突释后开始缓释,与Korsmeyer-Peppas模型最为符合。

在此基础上,Holländer等[23]用类似的方法打印了吲哚美辛-PCL的T形IUS,PCL降解缓慢的特性与IUS的长期给药需求相符合。吲哚美辛与PCL经过HME后制成不同药物含量的吲哚美辛-PCL (吲哚美辛含量分别为5%、15% 和30%) 线材后,在100 ℃下3DP制备出吲哚美辛IUS。由于其中吲哚美辛无定形态 (黄色) 和晶体 (无色) 比例不同,3种吲哚美辛含量不同的IUS表现出不同程度的黄色,相关分析表明载药量低的剂型中吲哚美辛无定形态的比例较高。吲哚美辛的释放为前期突释、后期缓释,符合Higuchi模型,表明扩散为药物释放的主要机制; 载药量低的线材和3D构型中无定形态的比例更高,其药物释 放快于载药量低的剂型 (图 4)。另外,PCL-药物的线材和IUS的载药量越多,其释放过程中的质量损失越大,可能是更多的药物掺入孔和通道所致。而各 种载药量的线材和IUS经过30天后,药物已大量释放,只有极少部分 (≤3.12%) 的PCL降解,表明PCL降解对药物释放的影响微小。这两项研究扩展 了FDM 3DP制剂的范围,对于植入剂的制备提供了新方法。

Figure 4 Drug release of indomethacin from filaments and prototypes with various infill rate
2.2.3 双囊片的打印

除了实现上述单一药物成分的3DP外,FDM也可用以制造含多种药物成分的剂型。Goyanes等[24]打印了含扑热息痛和咖啡因 (caffeine) 两种药物的药片。利用HME将两种药物分别载入PVA后得到对应的载药PVA线材。使用两个挤出头的3D打印机同时打印,可得到含两种药物的片剂。他们设计了多层片 (两种药物层层相接) 和两类双囊片(DuoCaplet,两种药物分别在内核和外壳)。每种片剂的扑热息痛和咖啡因分高、低两种载药量。为保证两种药物紧密连接,填充率设为100%; 拉曼成像 (Raman mapping) 表明扑热息痛与咖啡因这两种成分在药片中独立分层,没有互相掺杂现象 (图 5a)。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药片才会释放 (图 5b)。该项研究表明FDM有制造多组分药物并通过改变其结构组成来调控药物迟释/缓释特性的能力。

Figure 5 The structures and drug release profiles of paracetamol and caffeine tablets[24]. a: 3D model and Raman mapping images. Caffeine is green and paracetamol is red; b: Drug dissolution profiles from 3DP caplets: multilayer devices and DuoCaplets

与浸润型FDM相比,熔融型的FDM无需使用溶剂,减少了材料前处理时间,提高了打印效率,能通过改变形状、更换打印聚合物材料和改变打印剂型 等方式来调控药物释放特性,在制备固体药物剂型方面提升效率。但是,HME-FDM联用也存在着不足。HME过程中的高温处理决定了药物需要有一定的热稳定性,聚合物需要有热塑性和生物可降解性,这些条件限制了原料的应用范围。同时,过多的药物掺入可能对聚合物的成塑性能造成影响,高载药量的剂型难以获取,这些都是HME-FDM联用进一步发展的阻碍。

3 结论

3DP技术经历了持续的发展和应用,近年来才开始应用到药物制剂领域,FDM在制备片剂和植入剂等固体制剂方面有着自己独特的优势。FDM能方便地调控打印设备和打印模型的参数,通过改变制剂的尺寸调整药物的不同剂量; 通过创造特定的形状、改变打印参数 (如填充率) 和更换打印材料等来调控药物释放特性。对于复方药物制剂亦具有可行 性,特别是对于不同患者,通过有针对性的“量身定制”,制备出具有特定形状和剂量的制剂,从而实现个体化医疗。

FDM打印的发展目前也存在着多种制约因素。如浸润型FDM中聚合物所必需的在药物溶液中的稳定性、HME-FDM联用中药物必需的热稳定性和聚合物必需的热塑性和生物可降解性等条件,限制了药物和聚合物材料的应用范围。选用稳定的原材料后,制备的药物剂型存在着载药量的限制: 载药量过低难以达到所需剂量; 过高则可能影响药物−聚合物的结合。另外,目前3DP药物制剂的组成相对简单,多为药物和聚合物的二元体系,是否能引入更多的其他辅料仍待考察和探索。这些因素表明基于FDM 3DP作为新型的设计药物传递系统工具,尚处于发展的早期,期望随着研究的进展和技术的进步,此新工具能更加完善,在药物制剂和个体化医疗方面发挥更重要的作用。

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