设计具有所需药物释放的3D打印药丸

将来看到形状不寻常的药丸不要感到惊讶。乍一看，它们可能看起来很有趣，但它们可以以受控的方式在体内释放药物。使用先进的计算方法和3D打印的组合，可以生产出以预定格式溶解在液体中的物体。

来自德国萨尔布吕肯马克斯普朗克信息学研究所和加州大学戴维斯分校的一组计算机科学家发明了一种仅依靠物体形状进行时间控制释放的过程。这将对制药行业产生重要影响，制药行业最近开始密切关注3D打印。

看起来有趣的药丸不是设计噱头，它们可以在所需的时间内释放药物。控制患者的药物水平是药物的重要组成部分。在静脉输注的情况下，血液中的浓度由滴速乘以IV溶液中药物的比例确定。通过最初给予大剂量并从那时起以较小剂量维持，可以实现恒定的药物水平。通过口服给药，这种制度更难确保。

一个想法是在不同位置使用具有不同药物浓度的多组分，多材料结构，这很难制造。另一方面，3D打印的巨大进步及其不可逾越的创建复杂形状的能力，使载体材料中生化物质持续分布的自由形式药物目前是一个可行的选择。对于此类药物，释放完全取决于几何形状，这更容易保证和控制。

该项目由Vahid Babaei博士(MPI信息学)和Julian Panetta教授(加州大学戴维斯分校)领导，生产出溶解在所需时间函数中的3D对象，从而以受控方式释放其内容。通过巧妙地结合数学建模，实验设置和3D打印，该团队可以打印3D形状，在药物溶解时提供定时量的药物。这可用于通过口服给药设定预定的药物浓度。

由于在消化道中摄入后不可能产生外部影响，因此必须通过标本的形状(溶解的活性表面)产生所需的时间依赖性药物释放。通过一些努力，可以从给定的几何形状计算出随时间变化的溶解。例如，对于球体，它与递减的球面严格成正比。

研究小组提出了一种前向模拟，基于几何直觉，物体一次溶解一层。然而，从业者最感兴趣的是首先定义所需的释放，然后找到根据该释放配置文件溶解的形状。即使使用这种高效的正向模拟，为所需药物方案找到合适的三维形状的逆向工程也存在很大的困难。

这就是拓扑优化(TO)的应用：反转正向模拟以找到具有特定属性的形状。TO最初是为机械部件开发的，同时获得了广泛的应用。该团队是第一个提出逆向设计策略的人，以基于拓扑优化从发布行为中找到形状。通过实验验证溶解度：测量的释放曲线非常接近所需值。

在实验设置中，使用基于灯丝的3D打印机打印物体。然后通过相机系统评估溶解度，即实际测量，而不仅仅是通过数学模型计算。为此，对溶剂的光学透射率进行光学记录。与迄今为止常用的直接确定活性成分浓度(例如，通过滴定)的测量方法相比，这种方法的设置要快得多，也更简单。顺便说一下，测量活性成分密度的光学方法已经使用了相当长的一段时间：当葡萄被捣碎用于酿酒时，葡萄汁的糖含量(Öchsle)是通过折射法测定的。

逆向设计方法还可以包含不同制造系统的不同可制造性约束。例如，它可以被修改以生成挤压形状，因此不会妨碍大规模生产。除了在制药学中讨论的应用之外，其他可能性还包括生产催化体甚至粗粒肥料。

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