3D打印技术在药物制剂中的应用现状与展望

3D打印技术在药物制剂中的应用现状与展望

毛黎顺

江苏冉鑫华拓医药有限公司

摘  要：笔者综合研究了3D打印技术在药物制剂中的应用，分析了其制剂流程，包括数字化设计到后续处理，并探讨了几种常见的3D打印技术如FDM、SLS、SLA以及TIJ。研究突出了个性化药品制造、精确控制药物释放及按需制造的优势。同时，笔者也指出了原料选择、监管政策以及技术发展上的难题。通过深入分析，本研究明确了3D打印技术在推动药物个性化治疗和按需制造方面的巨大潜力，以及在实际应用中亟待解决的技术和政策挑战。

关键词：药物制剂；3D打印技术；应用

1 3D打印的步骤

1.1 数字化设计

数字化设计是3D打印流程的第一步，它要求设计师运用专业软件，比如CAD（计算机辅助设计）工具，将创意转变为精确的数字模型。在这一环节，考虑到最终药物制剂的功能与形态，设计师需对药物剂型的大小、形状、溶解特性及释放动力学进行精确的计算与模拟。例如，为了实现特定的释放曲线，设计师可能会调整模型中的孔隙结构或层厚。此外，这一阶段也需要对药物与载体材料之间的相容性进行充分考量，确保设计的可行性与安全性。

1.2 格式转化

设计完成后，将数字模型转换成3D打印机能够识别的格式是关键步骤。这一格式通常为STL（Stereolithography）或OBJ（Object）文件，它们能够保留模型的细节而去除色彩和质感等属性，便于打印机解析模型的几何结构。在转换过程中，可能需要通过软件进行修复和优化操作，确保模型的打印精度。例如，修复可能包括消除设计中的悬空结构，增加支撑以防止打印时的结构坍塌，或是者简化过于复杂的结构以提高打印效率。

1.3 原料加工

在3D打印的上下游环节中，原料加工晶型占据了举足轻重的地位。根据所选择的3D打印技术，原料可能是结晶性粉末、塑性结构树脂或丝状材料，而且必须保证原料的质量符合药品生产的严格标准。在药物制剂中，原料不仅要求具有良好的成型性能，还应满足生物相容性与药代动力学要求。例如，用于熔融沉积造型（FDM）的药物载体丝状材料需要在高温下能够稳定融化并能够在室温下迅速固化，而粉床熔融（SLS）技术所用粉末则需要具备良好的流动性和热塑性。

1.4 打印

打印阶段是将前期的设计与准备工作转化为实体制剂成型的关键过程。在这个步骤中，3D打印机按照数字模型的指令，逐层堆叠材料构建三维药物制剂。操作人员需要监控打印过程，以确保每一层材料的精确沉积和固化。在药物制剂的打印过程中，温度控制、打印速度、层厚度等参数需要严格控制，以保证药物剂量的准确性和制剂结构的一致性。例如，控释制剂可能需要精细的孔隙结构来调控药物的释放速率，这就要求打印过程中的每个参数都要精心调节以达到预期的结构效果。

1.5 后续处理

打印完成后，后续处理是赋予药物制剂最终药效和安全性的关键环节。这个阶段可能包括清洁、固化、打磨和涂层等多种工序。对于某些药物制剂，例如具有特定溶解特性的控释制剂，可能需要进行特殊的后处理如药物涂层包衣，以进一步调控药物的释放。在所有的后续处理过程中，必须确保药物制剂的无菌性和去除任何可能的残余毒性物质。此外，对于复杂的药物释放系统，还可能包括对制剂进行功能性测试，确保其在实际应用中的效果与设计相符。

2 药物制剂中常用的3D打印技术

2.1 FDM技术

熔融沉积造型（Fused Deposition Modeling，FDM）技术，是一种在药物制剂领域被广泛探索的3D打印技术。其工作原理是通过加热将聚合物或混合了药物的丝状材料熔融，然后通过喷头按照预设的路径逐层挤出，最终固化形成三维结构。这项技术的优点在于其打印设备相对简单且成本较低，且材料替换方便，非常适合个性化药物制剂的快速制造。然而，FDM打印的药物制剂常常存在表面粗糙度较高、精度较低的问题，因此需要后续处理以达到药用标准。在实际应用中，FDM技术能够实现控释剂型设计，通过调整填充密度、打印模式等参数来控制药物释放率。

2.2 SLS技术

选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）技术，它通过高能激光束将粉末状材料照射烧结，逐层构建复杂的三维结构。在药物制剂领域，SLS技术的主要优势是能够打印出结构复杂、精度高、强度好的固体制剂，且不需要额外的支撑结构。SLS适用于各种药物分子，特别是那些热稳定性良好的分子，因为这项技术需要材料能够承受激光烧结的高温。虽然SLS技术在原料选择和成本上存在局限，但其在定制骨科植入物、高精度控释药物制剂等方面显示出巨大的潜力。

2.3 SLA技术

立体光固化（Stereolithography，SLA）技术是一种利用光固化树脂通过紫外线逐层硬化成型的3D打印技术。SLA打印出的制剂具有较高的表面光滑度和精细的细节表现能力。在药物制剂中，SLA能够精确控制药物载体的微观结构，对于实现精确控制药物释放特性尤为重要。此外，SLA的高精度和高解析度使其在微型药物输送系统、微流控芯片等高端应用中占有一席之地。然而，SLA技术所用树脂的生物相容性和潜在毒性是其在药物直接打印中需要解决的主要问题。

2.4 TIJ技术

热喷墨（Thermal Inkjet，TIJ）技术，也称为热墨喷打印技术，它通过控制加热元件快速加热液态墨水（药物溶液或悬浮液），使其在压力作用下喷射出微小的墨滴，准确落在预定位置上。TIJ技术在药物制剂中的应用允许高精度的剂量控制和多药物组合打印，极大地拓宽了个性化治疗和组合药物疗法的可能性。TIJ打印的药物层厚和组合可以精确调控，使其在制备多层次、多成分的复杂药物释放系统中展现出独特优势。然而，TIJ技术对墨水的物理和化学性质要求极高，需要特别设计的药物-载体体系，以保证在打印过程中药物的稳定性和生物活性。

3D打印技术应用于药物制剂中的特有优势

3.1 特殊人群的个性化制药

在传统的药物生产中，药品通常以标准剂量批量生产，难以满足特殊人群如儿童、老年人或特定病情患者的个体化需求。3D打印技术在这一领域展现出其独特优势，它能够按照患者的具体需求制造个性化药物。例如，对于需要低剂量或不同剂量组合的患者，3D打印可以精确调整药物的剂量和比例，制造出个性化的药物复合体。此外，针对吞咽困难的患者，可以设计易于吞咽的药物形状，或者为儿童提供口感更佳的药物形态，提升药物的依从性。这种高度定制的制药方式将患者的个体差异置于药物设计的核心位置，不仅提高了治疗的有效性，还减少了副作用的可能性。

3.2 药物释放的精准控制

药物释放控制是现代药剂学研究的重要方向，关系到药物治疗的安全性和有效性。3D打印技术在药物释放精准控制方面展示了巨大的潜力。通过设计复杂的内部结构，3D打印能够实现药物的零时释放、缓释或定时释放，甚至在特定条件下触发药物释放。比如，通过调整打印制剂的孔隙率、壁厚或包覆层数，可以细致调控药物在体内的溶解速率，从而达到控制药物释放动态的目的。这种方法对于需要长期服用药物的慢性病患者来说尤为有益，有助于维持药物在体内的稳定浓度，减少给药频次，提高患者的生活质量。

3.3 按需制造的较大潜力

3D打印技术的另一大优势是按需制造。这不仅意味着能够现场制备药物，降低药物的存储和物流成本，还可以减少药物浪费，尤其是在一些特殊药物和季节性疾病治疗中，能够实现快速响应。例如，在流感季节，可以根据流感病毒的变异迅速调整疫苗成分，并快速打印出新的疫苗，实现精准治疗。此外，对于药物研发而言，3D打印技术可以加快新药的原型制作和测试流程，极大缩短药物从实验室到市场的时间。

4 3D打印制剂存在的难点及问题

4.1 原料选择及流程设计的优化

3D打印在药物制剂领域应用的一大挑战是原料的选择和流程设计。药物打印所需的原料不仅要求具有良好的生物相容性和安全性，还需要确保在打印过程中的稳定性和可控性。目前，可用于药物3D打印的原料种类有限，限制了制剂形式和药物种类的拓展。此外，原料的流变性质、熔点等物理化学特性对打印精度和药物质量均有直接影响。在流程设计方面，如何结合药物的理化属性和疗效需求，优化打印参数以控制药物剂型结构、释放特性等，是实现个性化药物制剂的关键。这需要跨学科的研究团队深入合作，共同开发新的原料和改进流程设计，以期达到药物3D打印的临床应用标准。

4.2 药品的监管及相关政策的完善

随着3D打印技术在药物制剂中的应用，监管机构面临着新的挑战。药品的质量控制、生产标准、以及后续的监督管理都需重新审视和构建。现有的药品监管政策多基于传统的批量生产模式，对于高度个性化和按需生产的3D打印药物制剂尚缺乏明确的指导原则和标准。例如，如何确保每一次打印药物的一致性和可追溯性，如何评估和认证3D打印设备及其软件的安全性等问题都需要在政策层面给出解答。此外，个性化药物的审批流程、责任归属、以及知识产权保护等，都是需要国家监管部门、药物制造商、医疗机构和相关法律专家共同研究和完善的方向。

4.3 技术的进一步发展

尽管3D打印技术在药物制剂中展示出巨大潜力，但技术自身仍在不断发展和完善中。目前，3D打印技术在打印效率、精度、以及适用的材料种类上仍有限制。例如，打印速度较慢可能不适应紧急需求较高的药物生产，打印分辨率的限制也可能影响药物剂量的精确性。此外，多成分药物的打印技术开发，对于不同药物成分之间相互作用的研究，以及长期稳定性等方面的科学问题，都需要技术进步来克服。只有通过持续的技术创新和深入的科学研究，3D打印技术在药物制剂领域的应用才能真正地成熟并普及。

5 结语

笔者通过对3D打印技术在药物制剂中应用的深入剖析，确认了其在个性化治疗和药物生产效率方面的革命性潜力。虽然存在诸多挑战，如原料的选择性和监管政策的落实，但技术的不断进步预示着巨大的发展空间。笔者相信，随着相关领域的努力与协同，这些难题将得到有效解决，进一步推动3D打印技术在制药业的革新与发展。

参考文献

[1]乔森,潘昊,崔梦锁等.3D打印技术在药物制剂领域的研究及应用[J].药学进展,2020,44(05):332-341.

[2]赵莹莹.3D打印技术在药物发展中的应用[J].河南科技,2020(17):70-71.