人工智能小組使用新策略開發(fā)3D打印藥丸方法
時間：2023-06-01 09:48 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2023年5月31日，來自德國薩爾布呂肯馬克斯普朗克信息學(xué)研究所和加州大學(xué)戴維斯分校的一組科學(xué)家開發(fā)了一種了一種新的3D打印藥丸工藝，可以以預(yù)定速度釋放藥物。該研究未來在制藥、催化劑和粗顆粒肥料生產(chǎn)等領(lǐng)域具有發(fā)展前景。
這項研究旨在解決傳統(tǒng)藥物生產(chǎn)中存在的一些挑戰(zhàn)，例如批量生產(chǎn)和個體化治療之間的平衡。通過使用3D打印技術(shù)，研究人員可以根據(jù)患者的具體需求和藥物配方，以預(yù)定速度打印出定制的藥丸。這種方法允許根據(jù)每個患者的特定劑量和藥物組合需求進(jìn)行個性化制造，提供更精確的治療。研究小組負(fù)責(zé)人向3D打印行業(yè)提供了有關(guān)該技術(shù)影響的見解。
在最近發(fā)表的一篇由馬克斯普朗克研究所的Vahid Babaei博士和加州大學(xué)戴維斯分校的 Julian Panetta教授領(lǐng)導(dǎo)的研究論文中，該團(tuán)隊展示了如何通過3D打印具有特定形狀的藥丸來確定它們在人體內(nèi)的溶解速度。
該團(tuán)隊指出，幾何形狀相較于靜脈輸液等其他定時給藥方法更易于控制，因此據(jù)稱這種新方法在制藥行業(yè)具有巨大潛力，尤其考慮到控制患者藥物水平的重要性。此外，還指出了該方法在制藥、催化劑和粗顆粒肥料生產(chǎn)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。
馬克斯普朗克信息學(xué)研究所人工智能輔助設(shè)計與制造組的研究組組長Babaei博士評論道：“我相信定點醫(yī)療和個性化醫(yī)療即將到來，并且3D打印將發(fā)揮重要作用。”
逆向設(shè)計策略
研究人員結(jié)合了先進(jìn)的計算方法、數(shù)學(xué)建模和基于FDM的3D打印技術(shù)來測試和評估這一新工藝。
研究團(tuán)隊通過拓?fù)鋬?yōu)化開發(fā)的設(shè)計進(jìn)行了仿真，并進(jìn)行了反向模擬以找到具有特定溶解特性的特定形狀。隨后，實際實驗驗證了關(guān)于溶解行為的預(yù)測。研究團(tuán)隊表示，他們是第一個通過逆向設(shè)計策略從基于拓?fù)鋬?yōu)化的釋放行為中找到所需形狀的人。
在實驗過程中，研究人員首先使用配備Tecdia公司的0.2毫米Kaika噴嘴的Prusa i3 MK3s FDM 3D打印機來打印所需的組件。他們還使用了Infinite Materials Solutions的AquaSys 120，這是一種通常用于支撐結(jié)構(gòu)的可水溶性長絲。
打印完成后，將部件放入蒸餾水中，并使用攝像系統(tǒng)測量碎片溶解的速度。雖然通常使用替代的、高成本的專業(yè)設(shè)備來測量溶出率，但研究團(tuán)隊使用了基于圖像的系統(tǒng)，因為它對科學(xué)家來說設(shè)置起來更快、更簡單。
最終，測得的釋放曲線與預(yù)期非常接近。這驗證了逆向設(shè)計策略的預(yù)測，并確認(rèn)特定形狀可用于確定藥物的特定釋放速率。
盡管該研究團(tuán)隊尚未確定這種新的藥丸制造工藝是否在市場上具有商業(yè)價值，但他們已經(jīng)為他們的研究申請了專利。Babaei博士表示：“我們的團(tuán)隊非常關(guān)注將我們的研究付諸實踐。”事實上，該團(tuán)隊已經(jīng)為激光行業(yè)啟動了一個名為Oraclase的衍生項目。
早期的3D打印制藥應(yīng)用
3D打印技術(shù)在制藥應(yīng)用方面已經(jīng)有一段相當(dāng)合理的歷史。在2016年，Aprecia Pharmaceuticals宣布其Spritam藥物獲得了美國食品和藥物管理局（FDA）的批準(zhǔn)，這是第一種完成FDA流程的3D打印藥物。Spritam是一種用于治療癲癇發(fā)作的藥物，通過3D打印成可立即溶解的藥片，使那些難以吞咽常規(guī)藥丸的患者更容易獲得藥物。
盡管與這種新的基于形狀的工藝有一些相似之處，但Aprecia的產(chǎn)品與之存在明顯的區(qū)別。Babaei博士解釋道，Spritam具有單一的溶出模式，即快速且即時的溶解模式。而在這種新工藝中，用戶可以根據(jù)需要繪制任何釋放曲線（快速或其他），然后根據(jù)曲線計算出相應(yīng)的形狀。
另外，2020年，希臘和意大利的一個研究團(tuán)隊使用半固態(tài)擠壓的3D打印技術(shù)來調(diào)控藥物片劑的定制和患者特定的藥物釋放速率。他們并沒有使用3D打印藥丸，而是通過在藥片上部分涂覆甘油酯來實現(xiàn)控制。通過控制涂覆層的特性，研究人員成功地調(diào)節(jié)了片劑中兩種活性藥物成分（API）的釋放速率。根據(jù)研究團(tuán)隊的說法，這種方法允許根據(jù)患者的需求實現(xiàn)個性化的藥物釋放速率。
總體而言，這些例子展示了3D打印技術(shù)在制藥領(lǐng)域的不同應(yīng)用，包括定制藥物釋放速率和提供更易于服用的藥物形式，進(jìn)一步展示了該技術(shù)在個性化醫(yī)療方面的潛力。
△3D打印的藥丸示例
這項研究旨在解決傳統(tǒng)藥物生產(chǎn)中存在的一些挑戰(zhàn)，例如批量生產(chǎn)和個體化治療之間的平衡。通過使用3D打印技術(shù)，研究人員可以根據(jù)患者的具體需求和藥物配方，以預(yù)定速度打印出定制的藥丸。這種方法允許根據(jù)每個患者的特定劑量和藥物組合需求進(jìn)行個性化制造，提供更精確的治療。研究小組負(fù)責(zé)人向3D打印行業(yè)提供了有關(guān)該技術(shù)影響的見解。
△該論文的題目為“釋放的形狀：受控釋放結(jié)構(gòu)的逆向設(shè)計和制造”（傳送門）
在最近發(fā)表的一篇由馬克斯普朗克研究所的Vahid Babaei博士和加州大學(xué)戴維斯分校的 Julian Panetta教授領(lǐng)導(dǎo)的研究論文中，該團(tuán)隊展示了如何通過3D打印具有特定形狀的藥丸來確定它們在人體內(nèi)的溶解速度。
該團(tuán)隊指出，幾何形狀相較于靜脈輸液等其他定時給藥方法更易于控制，因此據(jù)稱這種新方法在制藥行業(yè)具有巨大潛力，尤其考慮到控制患者藥物水平的重要性。此外，還指出了該方法在制藥、催化劑和粗顆粒肥料生產(chǎn)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。
馬克斯普朗克信息學(xué)研究所人工智能輔助設(shè)計與制造組的研究組組長Babaei博士評論道：“我相信定點醫(yī)療和個性化醫(yī)療即將到來，并且3D打印將發(fā)揮重要作用。”
△部分3D打印藥丸設(shè)計示例
逆向設(shè)計策略
研究人員結(jié)合了先進(jìn)的計算方法、數(shù)學(xué)建模和基于FDM的3D打印技術(shù)來測試和評估這一新工藝。
研究團(tuán)隊通過拓?fù)鋬?yōu)化開發(fā)的設(shè)計進(jìn)行了仿真，并進(jìn)行了反向模擬以找到具有特定溶解特性的特定形狀。隨后，實際實驗驗證了關(guān)于溶解行為的預(yù)測。研究團(tuán)隊表示，他們是第一個通過逆向設(shè)計策略從基于拓?fù)鋬?yōu)化的釋放行為中找到所需形狀的人。
在實驗過程中，研究人員首先使用配備Tecdia公司的0.2毫米Kaika噴嘴的Prusa i3 MK3s FDM 3D打印機來打印所需的組件。他們還使用了Infinite Materials Solutions的AquaSys 120，這是一種通常用于支撐結(jié)構(gòu)的可水溶性長絲。
打印完成后，將部件放入蒸餾水中，并使用攝像系統(tǒng)測量碎片溶解的速度。雖然通常使用替代的、高成本的專業(yè)設(shè)備來測量溶出率，但研究團(tuán)隊使用了基于圖像的系統(tǒng)，因為它對科學(xué)家來說設(shè)置起來更快、更簡單。
最終，測得的釋放曲線與預(yù)期非常接近。這驗證了逆向設(shè)計策略的預(yù)測，并確認(rèn)特定形狀可用于確定藥物的特定釋放速率。
盡管該研究團(tuán)隊尚未確定這種新的藥丸制造工藝是否在市場上具有商業(yè)價值，但他們已經(jīng)為他們的研究申請了專利。Babaei博士表示：“我們的團(tuán)隊非常關(guān)注將我們的研究付諸實踐。”事實上，該團(tuán)隊已經(jīng)為激光行業(yè)啟動了一個名為Oraclase的衍生項目。
△該團(tuán)隊表示通過設(shè)計優(yōu)化，藥物的釋放過程呈現(xiàn)曲線化
早期的3D打印制藥應(yīng)用
3D打印技術(shù)在制藥應(yīng)用方面已經(jīng)有一段相當(dāng)合理的歷史。在2016年，Aprecia Pharmaceuticals宣布其Spritam藥物獲得了美國食品和藥物管理局（FDA）的批準(zhǔn)，這是第一種完成FDA流程的3D打印藥物。Spritam是一種用于治療癲癇發(fā)作的藥物，通過3D打印成可立即溶解的藥片，使那些難以吞咽常規(guī)藥丸的患者更容易獲得藥物。
△2016年，Spritam作為第一種3D打印藥物上市
盡管與這種新的基于形狀的工藝有一些相似之處，但Aprecia的產(chǎn)品與之存在明顯的區(qū)別。Babaei博士解釋道，Spritam具有單一的溶出模式，即快速且即時的溶解模式。而在這種新工藝中，用戶可以根據(jù)需要繪制任何釋放曲線（快速或其他），然后根據(jù)曲線計算出相應(yīng)的形狀。
另外，2020年，希臘和意大利的一個研究團(tuán)隊使用半固態(tài)擠壓的3D打印技術(shù)來調(diào)控藥物片劑的定制和患者特定的藥物釋放速率。他們并沒有使用3D打印藥丸，而是通過在藥片上部分涂覆甘油酯來實現(xiàn)控制。通過控制涂覆層的特性，研究人員成功地調(diào)節(jié)了片劑中兩種活性藥物成分（API）的釋放速率。根據(jù)研究團(tuán)隊的說法，這種方法允許根據(jù)患者的需求實現(xiàn)個性化的藥物釋放速率。
總體而言，這些例子展示了3D打印技術(shù)在制藥領(lǐng)域的不同應(yīng)用，包括定制藥物釋放速率和提供更易于服用的藥物形式，進(jìn)一步展示了該技術(shù)在個性化醫(yī)療方面的潛力。
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