3D打印牙齒、3D打印骨關(guān)節(jié)、3D打印心臟模型……自3D打印技術(shù)進(jìn)入醫(yī)療領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)已為人類帶來諸多驚喜。
不久的將來，3D打印藥物或許也將走進(jìn)我們的生活。近日，南京三迭紀(jì)醫(yī)藥科技有限公司首個3D打印藥物產(chǎn)品T19獲得美國FDA的新藥臨床試驗(yàn)批準(zhǔn)(IND)。
多位研究者指出，與傳統(tǒng)制藥技術(shù)相比，藥物的3D打印，可以通過三維空間設(shè)計，為精準(zhǔn)釋藥、控制藥物劑量、提高研發(fā)效率、靈活制藥等提供新思路。
在三維空間讓藥物釋放有的放矢
3D打印又稱“增材制造”，是一種通過特定數(shù)字設(shè)計，將材料分層沉積來構(gòu)建成型的工藝，1986年美國加利福尼亞大學(xué)的CharlesHull教授發(fā)明了第一臺3D打印機(jī)。隨后的90年代起，很多研究機(jī)構(gòu)開始研究，如何在藥物制劑領(lǐng)域與3D打印技術(shù)擦出火花。
但這一進(jìn)展相比航空航天、汽車制造、建筑、珠寶等領(lǐng)域的3D打印應(yīng)用，仍剛剛起步。
不過念念不忘、必有回響。2015年7月，美國Aprecia制藥公司研發(fā)出的全球首款抗癲癇藥物SPRITAM(左乙拉西坦)速溶片，獲得美國食品和藥物管理局(FDA)批準(zhǔn)上市。該藥由層積制成，內(nèi)部有很多孔隙，僅需口腔內(nèi)唾液即可迅速溶解。
左乙拉西坦的上市，很快在大洋彼岸的中國掀起蝴蝶效應(yīng)。在左乙拉西坦獲批上市的前一周，“三迭紀(jì)”誕生。5年后，這家公司研發(fā)的3D打印藥物產(chǎn)品通過FDA新藥臨床試驗(yàn)申請。
“T19是一款針對類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎設(shè)計的藥物。我們的目標(biāo)是，患者睡前服用T19，血液中的藥物濃度在疼痛、關(guān)節(jié)僵硬及功能障礙等疾病癥狀最嚴(yán)重的早晨達(dá)到高峰，并維持白天的血藥濃度，以取得最佳的藥物治療效果?！比o(jì)創(chuàng)新中心經(jīng)理鄭愉博士告訴科技日報記者，這需要通過設(shè)計藥片的三維結(jié)構(gòu)，讓藥物在特定的時間精準(zhǔn)釋放。
如何讓藥物“聰明”地在恰當(dāng)?shù)臅r機(jī)發(fā)揮藥效，這取決于藥物的起始釋放時間和釋放速率?！捌鹗坚尫艜r間可通過調(diào)整包覆在藥芯外的可溶蝕材料的厚度來控制，而藥物的釋藥速率可通過改變藥芯的幾何形狀和暴露面積來調(diào)節(jié)。比如高血壓、關(guān)節(jié)炎等病癥，早晨是癥狀最嚴(yán)重的時期，我們就控制藥片的結(jié)構(gòu)，讓藥物釋放后達(dá)峰的時間，剛好與發(fā)病高峰期吻合。另外，通過一個藥片里多個獨(dú)立腔室的設(shè)計，我們可以將不同的釋藥方式靈活組合，也可以實(shí)現(xiàn)復(fù)方?！编嵱湔f，不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以讓藥物快速起效并持續(xù)發(fā)揮作用，提高藥物療效或降低副作用，也可以讓患者服藥變得更便利，例如原本一天吃3次的藥，就可能減少為一天一次。
為精準(zhǔn)設(shè)計藥物劑型結(jié)構(gòu)、精準(zhǔn)釋藥、提高研發(fā)效率提供新思路
將肉眼看不到的各種藥物成分包裝成“聽指揮”的精靈指哪打哪，幕后的“設(shè)計師”就是3D打印技術(shù)?！盁崛蹟D出沉積”(以下簡稱MED)是三迭紀(jì)3D打印技術(shù)是核心。
“簡單地說，就是將粉末狀的原料藥和高分子輔藥混勻并軟化或熔化成可流動的半固體，通過對溫度和壓力的準(zhǔn)確控制，從噴嘴高精密擠出，成為可準(zhǔn)確定量的半固體藥絲。計算機(jī)控制打印平臺的三維運(yùn)動，將擠出的藥絲逐層堆積，形成預(yù)先設(shè)計好的具有內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)的藥?！编嵱湔f，MED 打印機(jī)包含多個打印站，每個打印站負(fù)責(zé)打印藥片結(jié)構(gòu)中的一個組分，通過多個打印站的協(xié)同配合實(shí)現(xiàn)多材料打印，生產(chǎn)出具有特定內(nèi)部結(jié)構(gòu)的藥片。
“從進(jìn)料到打印成型平均耗時2-6分鐘，日產(chǎn)能可達(dá)3萬片。每個打印站可含有多個打印頭，目前我們現(xiàn)在已經(jīng)建立了含有32個打印頭的打印站。”鄭愉說，他們還設(shè)計了數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，可以在原材料的進(jìn)料、混勻、3D打印和包裝的全過程，監(jiān)測藥片的尺寸、結(jié)構(gòu)、重量和含藥均勻度，對關(guān)鍵工藝參數(shù)、中間體和終產(chǎn)品進(jìn)行全過程的實(shí)時監(jiān)測和生產(chǎn)反饋控制，以提高藥物產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，也便于法規(guī)監(jiān)管。這項(xiàng)技術(shù)在去年被FDA新興技術(shù)小組(ETT)接收立項(xiàng)。
簡潔又靈活的生產(chǎn)工藝，也讓降低新藥研發(fā)成本成為可能。鄭愉說，對于部分制藥企業(yè)來說，大成本的投入，往往未必能獲得想要的候選藥物。而3D打印技術(shù)，可以在創(chuàng)新藥的研發(fā)早期，快速開發(fā)小批量的具有不同釋藥機(jī)理的處方，有助于探索創(chuàng)新藥的作用機(jī)理并快速篩選出最有效的劑型。
“例如，基于目標(biāo)釋藥曲線，我們會從數(shù)據(jù)庫中選擇合適的劑型結(jié)構(gòu)和處方配比，快速打印原型，再通過溶出結(jié)果和目標(biāo)釋放曲線的比對，校準(zhǔn)劑型和處方。這變革了傳統(tǒng)的長周期試錯型的制劑開發(fā)方式，從而大幅提高藥物產(chǎn)品開發(fā)的效率和成功率，降低開發(fā)時間和成本。”鄭愉說，目前默克、阿斯利康、默沙東等國際制藥巨頭，都在嘗試用3D打印技術(shù)進(jìn)行新藥研發(fā)。
全新的藥物劑型結(jié)構(gòu)和制備方法，也給藥品的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)帶來了機(jī)遇。鄭愉表示，在原研藥的專利保護(hù)失效前，可以通過3D打印技術(shù)改進(jìn)制劑工藝，迭代新的劑型，提高藥物產(chǎn)品的療效、降低副作用，從而延長藥物產(chǎn)品的生命周期，在藥物專利過期后仍享有市場獨(dú)占權(quán)。
規(guī)?；慨a(chǎn)值得期待
“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，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，難以設(shè)計復(fù)雜的劑型。而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，用數(shù)字化設(shè)計，為藥物在速釋制劑、改良型制劑以及復(fù)方制劑的開發(fā)提供了新思路?！敝袊幙拼髮W(xué)藥學(xué)院博導(dǎo)、教授孫敏捷說，3D打印在制藥行業(yè)的應(yīng)用，提高了該行業(yè)加工流程的靈活性。
“傳統(tǒng)的藥物加工，要先將粉末制成顆粒再壓片。這一過程涉及很多機(jī)器、生產(chǎn)線，一條生產(chǎn)線往往幾萬元，一旦形成了固定的工藝流程，再更換設(shè)備，成本很高。但3D打印可以更換模塊和程序，原則上每一片藥都可以不同?！编嵱浔硎荆诠I(yè)生產(chǎn)階段，由于與研發(fā)階段的打印原理相同，因此更易于控制，可省去傳統(tǒng)制劑工藝放大生產(chǎn)的過程，因此節(jié)約時間和成本，制造設(shè)備單一，減少管理成本。
另有學(xué)者展望，藥物的3D打印更便于藥物的個性化設(shè)計。例如，目前的藥物劑量是標(biāo)準(zhǔn)化的，有的患者往往需要依靠掰開藥片獲得所需劑量，因此標(biāo)準(zhǔn)化劑量的藥物無法滿足所有患者的需求。而3D打印技術(shù)原則上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。
3D打印技術(shù)適合打印哪些藥物?在鄭愉看來，“那些需要程序化地控制藥性釋放，來達(dá)到更好療效的藥物，3D打印更有實(shí)現(xiàn)的空間。”
而在孫敏捷看來，需要個性化給藥以及對成本不敏感的藥物，比較適合3D打印。
MED技術(shù)僅是3D打印藥物冰山一角。目前，應(yīng)用于制藥行業(yè)的3D打印技術(shù)還有黏結(jié)劑噴射技術(shù)、立體光固化成型技術(shù)等。但由于制備方法的特殊性，原材料、過程參數(shù)、知識產(chǎn)權(quán)等領(lǐng)域還面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。
孫敏捷告訴科技日報記者，就材料而言，目前應(yīng)用于藥物制劑的3D打印材料多為聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯、聚己內(nèi)酯、聚乙二醇等經(jīng)過FDA批準(zhǔn)用于臨床的材料，但這不能充分滿足制劑設(shè)計需求，需要通過對材料改性或開發(fā)新型材料才能更好實(shí)現(xiàn)個性化要求。
“另外不同技術(shù)原理的3D打印機(jī)對材料的要求也不同，例如熔融沉積技術(shù)需要使用熱塑性聚合物擠壓的形式制造產(chǎn)品，而立體光固化成型技術(shù)的打印材料僅限定于光敏聚合物?！睂O敏捷說。
一款原研藥的研發(fā)上市，周期大、投入大，往往“十年磨一劍”。藥物的3D打印時代，如何確保原研藥的知識產(chǎn)權(quán)也是孫敏捷關(guān)心的焦點(diǎn)?！霸兴幵趯＠Ｗo(hù)期過后，利用3D打印藥物可以對原研藥進(jìn)行快速仿制，但目前3D打印技術(shù)專利被大公司壟斷，層出不窮的3D打印創(chuàng)新發(fā)明，是否會讓藥物知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)變得更加困難和復(fù)雜?”
不過，在鄭愉看來，3D打印藥物是制藥行業(yè)未來的發(fā)展方向之一?！皬恼麄€3D打印藥物行業(yè)來看，可實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)的3D打印藥物技術(shù)依舊是最值得期待的突破。近幾年默克(德國)和阿斯利康等跨國藥企也紛紛開始與3D打印設(shè)備公司及高校合作，探索使用3D打印技術(shù)制備臨床試驗(yàn)藥物樣品及進(jìn)一步商業(yè)化大生產(chǎn)的可行性?！?/p>
“目前來看，短期內(nèi)，3D打印技術(shù)要想完全取代傳統(tǒng)制藥技術(shù)是不可能的，但3D打印技術(shù)在工業(yè)藥劑領(lǐng)域的應(yīng)用有效地推動了給藥系統(tǒng)的發(fā)展，必將成為未來研究的重要推力?！睂O敏捷說。
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