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从制药的角度看3D打印对个性化医疗的影响

日期: 2018-07-20
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3D打印在药物制造中的应用潜力是快速、灵活的进行按需定制化生产,但药物制造对于定制化的需求并非是实现定制化的外观那么简单,而是从药品功能上实现定制化,具体来说是按需制造具有不同剂量、物理特性或释放曲线的药物。

那么,基于3D打印的制药技术对普通患者和现有的制药方式、治疗方式可能产生哪些影响呢?美国圣约翰大学(Saint John’s University)工业药剂学教授Abu Serajuddin博士基于他所从事的药物3D打印研究,对3D打印药物定制在个性化医疗中发挥的作用谈了几点看法。本期,我们结合Abu Serajuddin博士从事的相关研究工作和观点,从药物定制的角度来了解3D打印在个性化医疗中的价值。

为什么“个性化医疗”很重要?

Serajuddin博士表示,人与人之间存在个体差异,比如说即使是得了同种疾病的两个不同患者,对治疗药物都可能存在不同的需求,或者是对剂量的需求有所不同。而个性化药物则能够根据患者个体需要或患者的遗传结构以及健康状况进行个性化治疗。

但目前的药物剂量是标准化的,比如说治疗某疾病的片剂是100毫克的,但患者实际所需的剂量高于或低于这个剂量,那么患者往往需要依靠粉碎或掰开药片获得所需剂量,但通过这种方式无法得到非常精确的剂量。总之,标准化剂量的药物,无法满足所有患者的需求。

在制药中怎样应用3D打印技术?

St. John’s 大学正在利用熔融沉积成形(FDM)3D打印技术制造药物。该大学实验室中拥有完善的设施,在研究中,实验室工作人员首先使用设备制造出药物3D打印所需的丝材。

从制药的角度看3D打印对个性化医疗的影响

在制造丝材制之前,有一项很重要的工作是选择适合药物制造所需的聚合物材料。市场上虽有很多聚合物3D打印线材,但其中多数材料并不能用于制药。比如说用于打印电子产品塑料件的材料溶解速度是非常缓慢的,而制药用的聚合物则需要能够快速溶解,因为大多数药物需要在服用后快速起效。

从制药的角度看3D打印对个性化医疗的影响

基于以上原因,实验室选择的适合用于制药的聚合物材料往往是不易于通过FDM 3D打印机进行热熔挤出的材料。实验室在研究过程中,对这类聚合物变软的温度(即材料的玻璃化转变温度)进行表征,并确定这类材料能够通过3D打印挤出的粘度。除此之外,用于3D打印的药物制造用聚合物丝材还需要具有一定的韧性。这些都是实验室正在开展的工作。 3D打印技术如何加速个性化医疗的发展?

Serajuddin博士表示,从制药的角度来看,3D打印可以更加灵活的按需制造具有个性化剂量的药物。

现阶段,3D打印技术在加速新药研发方面具有更明显的价值。这是由于,在新药的临床研究过程中,如果患者对某一剂量的药物没有反应,那么通过3D打印可以迅速制造出不同剂量的药片,这将缩短药物的研发周期。

事实上,根据3D科学谷的了解,不仅是在新药的临床研究阶段,3D打印将发挥作用以上作用,在药物早期研发阶段,3D打印技术也能够发挥类似作用。伦敦大学药学院曾在《药理学趋势》一书中发表过,药物开发的早期阶段对于确定分子是否具有可接受的毒性水平的治疗潜力至关重要,而这一阶段的失败率很高,因此企业希望通过尽可能节约成本的方式识别候选药物分子。虽然计算工具在筛查中扮演着重要角色,但潜在的药物必须通过经常在模型生物体上进行的临床前实验,才能进入临床试验阶段,部分研究涉及到测试不同的制剂和剂量以确定其效果。3D打印可以通过提供快速灵活的方法来生产具有不同成分的小批量药物,从而加速药物的研发。

Serajuddin博士表示,未来当3D打印技术成熟的时候,患者或许可以通过个性化药方,在具有3D打印药物制造能力的药房即可获得所需的个性化药物。

未来所有药物都有必要个性化制造吗?

Serajuddin博士对此表示,并非有所有患者都需要个性化剂量的药物,比如说对于很多需要长期服药的慢性病的患者来说,他们对于自己每天需要服用的药物剂量、数量已经非常了解,因此并不需要个性化定制的药物。

目前的大规模药物生产线每天可以制造数百万片药物,迄今为止,现有制药体系运行良好。目前还很难说,3D打印个性化药物制造方式是否会在将来取代现有的制药方式。但目前看来,至少对于新药的临床研究,3D打印个性化药物制造技术将是有意义的,因为当临床研究者并不确定一个人的通用成分时,医生可以根据个人的基因组结构确定药物剂量,这时就可以应用3D打印技术。 3D科学谷Review

圣约翰大学Abu Serajuddin博士所从事的3D打印研究只是药物增材制造的一种方式,即用FDM 3D打印机和药物制造的专用聚合物丝材来制造药物。

根据3D科学谷的市场观察,国际上还有其他高校在使用同样的3D打印技术,开发研发具有独特性质的药物。例如新加坡国立大学化学工程与生物工程系的助理教授Soh Siow Ling,利用FDM 3D打印技术和特殊聚合物丝材,研发缓释药片。药片先通过计算机软件进行建模,药片制造中的关键技术是通过包裹药物的聚合物控制药物的释放率,就像编程一样,通过调整聚合物的形状来调整药物释放的时间间隔设置。

除了以上这些研究中应用FDM 3D打印技术,还有一种更具革命性的制药技术为分子级的3D打印技术。

该技术是由伊利诺伊大学的Martin Burke医学博士发明的,作用是使化学物质配比过程自动化,通过将构建模块连接在一起,配比后的物质然后产生化学反应。这项技术可以用于开发新药,通过从头创建分子,新药将得到开发,可以显着改善药物的开发方式,3D打印由化学家需要数年才能开发的药物。这一技术为实现药物的大规模定制生产提供了可能性。


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