熔融沉積3D打印技術(shù)制備地高辛分劑量片的研究

周永恒，林威，周文志，楊帆，3

(1.廣州市增城區(qū)人民醫(yī)院，廣東 廣州 511300； 2.廣東藥科大學(xué)新藥研發(fā)中心/廣東省局部精準(zhǔn)藥物遞藥制劑工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510006； 3.廣東藥科大學(xué)新藥研發(fā)中心/廣東省藥物新劑型重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510006)

兒童用藥適宜劑型及規(guī)格的缺乏為全球性問(wèn)題，將成人藥品調(diào)劑成小劑量使用是臨床應(yīng)用較為廣泛的解決辦法[1]。醫(yī)院藥品分劑量的方法主要采用分劈、磨粉、固體制劑液體化等方法，但劑量不準(zhǔn)確，潛在用藥安全隱患[2-6]。3D打印技術(shù)依據(jù)“逐層打印，層層疊加”的原理，在計(jì)算機(jī)的控制下，可快速而精確地制造具有特殊外型或復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物體[7]。2015年，第1個(gè)3D打印藥物(左乙拉西坦速溶片)正式上市[8]。

地高辛片是用于治療各種急性和慢性心功能不全以及室上性心動(dòng)過(guò)速、心房顫動(dòng)和撲動(dòng)等癥狀的強(qiáng)心苷，其安全范圍窄，個(gè)體差異大[9]，中毒量?jī)H為有效量的1.5～2倍。對(duì)于肝腎功能發(fā)育不全的兒童，個(gè)體化分劑量給藥極為重要。市售地高辛片為0.25 mg，但我院臨床常用的劑量有0.01、0.012、0.015、0.025、0.041、0.064、0.070 mg。本研究利用熔融沉積3D打印技術(shù)制備0.041、0.070 mg低劑量的地高辛分劑量片，為臨床提供一種新的調(diào)劑思路。

1 儀器與試劑

1200高效液相色譜儀(美國(guó)Agilent公司)，色譜柱為ZORBAX SB-C18(5 μm，4.6 mm×150 mm)；FSE2巧克力食品3D打印機(jī)(昆山博力邁三維打印科技有限公司)；A11粉碎機(jī)(德國(guó)IKA公司)；YPD-200C片劑硬度測(cè)定儀與LB-2D崩解時(shí)限測(cè)定儀(上海黃海藥檢儀器有限公司)；EL204-2C電子分析天平(瑞士梅特勒公司)。

地高辛片(0.25 mg，上海信誼藥業(yè)公司，批號(hào)：020160805)；地高辛對(duì)照品(98.8%，中國(guó)食品藥品檢定研究院，批號(hào)：100015-200709)；聚乙二醇4000(藥用級(jí)，德國(guó)Sasol公司)；聚乙二醇6000(藥用級(jí)，廣州南方化玻公司分裝)；泊洛沙姆188(醫(yī)藥級(jí)，德國(guó)BASF公司)；泊洛沙姆407(醫(yī)藥級(jí)，德國(guó)BASF公司)；硬脂酸鎂(食品級(jí)，鄭州康本生物科技有限公司)；無(wú)水乙醇(分析純，廣州化學(xué)試劑廠)；乙腈(色譜純，德國(guó)MERCK公司)。

2 方法與結(jié)果

2.1 熔融沉積3D打印片藥用輔料的處方研究

熔融沉積(FDM)3D打印是將打印材料置于3D打印機(jī)中熔融，然后按計(jì)算機(jī)預(yù)設(shè)路徑擠出成型的工藝，為此選擇60 ℃以下的低熔點(diǎn)藥用輔料聚乙二醇4000、泊洛沙姆188、泊洛沙姆407，分別取一定量單一藥用輔料粉末加入5%硬脂酸鎂混勻制成打印基質(zhì)處方1～3。在預(yù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上按1∶4、1∶5(質(zhì)量比，下同)分別取泊洛沙姆407、PEG4000混勻的藥用輔料，加入5%硬脂酸鎂制成處方4～5，按1∶3、1∶4、1∶5、1∶6(質(zhì)量比，下同)分別取泊洛沙姆188、PEG4000混勻的藥用輔料，加入5%硬脂酸鎂制成處方6～9(見(jiàn)表1)。其中硬脂酸鎂是為了增強(qiáng)材料粉體流動(dòng)性便于連續(xù)供料，采用FDM 3D打印技術(shù)熔融擠出，打印圓柱形片劑(r=5 mm、h=4 mm)，根據(jù)可打印性、室溫成型性、片劑硬度、崩解時(shí)限，篩選出最佳處方。

表1 熔融沉積3D打印片藥用輔料的處方篩選
Table1Prescription screening of medicinal excipients for fused deposition 3D printed tablets

w/%

表1中9個(gè)處方的3D打印片的外觀見(jiàn)圖1。由圖1a-c可見(jiàn)，3種單輔料打印基質(zhì)均能快速固化成型，PEG4000出絲較細(xì)，表面可見(jiàn)明顯螺紋，部分片劑會(huì)出現(xiàn)打印斷絲造成空打，片心成凹陷狀。泊洛沙姆188與泊洛沙姆407外表滑膩均勻，但均有裂片現(xiàn)象，其中泊洛沙姆407黏性過(guò)大，導(dǎo)致擠出量難以控制，片心呈隆起狀。

a～i. 分別對(duì)應(yīng)表1中的處方1～9。

圖1熔融沉積3D打印不同藥用輔料的片劑外觀

Figure13D printed tablet appearance of different pharmaceutical excipients by fused deposition

為了研究基質(zhì)混合聯(lián)用的打印效果，在前期實(shí)驗(yàn)中，筆者配制了泊洛沙姆407與PEG4000 1∶1、1∶2、1∶3(質(zhì)量比，下同)處方，漿料過(guò)于黏稠且崩解時(shí)間超過(guò)15 min。而且泊洛沙姆407比例低于1∶5，會(huì)發(fā)生出絲過(guò)細(xì)，導(dǎo)致打印缺失的現(xiàn)象。由圖1d-e可見(jiàn)，泊洛沙姆407與PEG4000按 1∶4或1∶5混合時(shí)，可打印性差，片劑表面粗糙，說(shuō)明泊洛沙姆407與PEG4000混合打印效果難以控制。

由圖1f-i可見(jiàn)，泊洛沙姆188與PEG4000在1∶4及1∶5時(shí)打印效果最佳，漿料擠出均勻細(xì)膩，所成片劑完整美觀，外表光滑，平均崩解時(shí)間分別為8.5、8.2 min，平均硬度分別為24.16、19.34 N。綜合考慮，選擇泊洛沙姆188與PEG4000質(zhì)量比1∶4為最佳處方基質(zhì)(處方7)，即3D打印地高辛分劑量片的最佳處方為PEG4000∶泊洛沙姆188∶地高辛∶硬脂酸鎂=71.57∶17.89∶5.54∶5.00(質(zhì)量比)。

打印粉末的制備：精確稱(chēng)量處方7基質(zhì)粉末置于蒸發(fā)皿，水浴加熱攪拌成熔融狀，加入已過(guò)120目篩的地高辛片粉末，攪拌至完全混勻，放冷固化后再用粉碎機(jī)粉碎，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的硬脂酸鎂，混合均勻，制成含藥2的打印粉末，備用。

2.2 3D打印地高辛分劑量片的計(jì)算機(jī)模型設(shè)計(jì)

選擇實(shí)心圓柱體片作為打印形狀，經(jīng)測(cè)定打印物料的密度為1.1641 g/mL，根據(jù)地高辛分劑量片的劑量和物料中藥物的含量，計(jì)算出打印片的體積，選擇適當(dāng)?shù)膔/h，最終確定劑量0.070 mg的圓柱體片模型為r=4.8 mm、h=4 mm，劑量0.041 mg的r=4 mm、h=3.2 mm。由計(jì)算機(jī)軟件magics建立模型，切片軟件Repetier-Host進(jìn)行切片，對(duì)打印參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，生成Gcode 格式文件，導(dǎo)入3D打印機(jī)進(jìn)行打印。

2.3 3D打印地高辛分劑量片的制備

將制備好的打印粉末倒入3D打印機(jī)漏斗中，于導(dǎo)料板兩邊均勻分布，將蓋板蓋好。將提前生成的3D打印機(jī)可識(shí)別的Gcode文件轉(zhuǎn)入閃存卡(Trans-flash，TF)中，插入機(jī)器，待熔融的物料正常擠出后即可打印。在打印前期以打印效果為指標(biāo)試驗(yàn)打印參數(shù)，最終確定打印參數(shù)：噴嘴口徑0.8 mm，打印層高0.8 mm，打印速度15 mm/s，填充密度100%，打印溫度56 ℃，在此參數(shù)下漿料擠出均勻、成型快速、外觀規(guī)整。

2個(gè)劑量的地高辛打印片均為白色圓柱狀片劑，表面完整光潔、色澤均勻、邊緣整齊(見(jiàn)圖2)。

a. 0.041 mg劑量; b. 0.070 mg劑量。

圖23D打印的地高辛分劑量片

Figure2Digoxin divided dose tablets Prepared by 3D Printing Technology

2.4 3D打印地高辛分劑量片的理化性質(zhì)

2.4.1 片劑的直徑與高度 從2組3D打印地高辛分劑量片中分別隨機(jī)選取10片，用游標(biāo)卡尺測(cè)量片的直徑與高，結(jié)果見(jiàn)表2。可見(jiàn)，2種規(guī)格地高辛分劑量的實(shí)際打印體積較計(jì)算機(jī)模型設(shè)計(jì)的體積略有擴(kuò)大，但誤差均在可接受范圍內(nèi)，這可能是由于打印材料在FDM打印機(jī)熔融室內(nèi)存在擠壓應(yīng)力，從打印噴嘴擠出后釋放應(yīng)力導(dǎo)致絲徑變粗，最終使所成片劑實(shí)際體積有溢出。

2.4.2 片重差異 從2組3D打印地高辛分劑量片中分別隨機(jī)選取20片，精密稱(chēng)定每片重量，計(jì)算平均片重，結(jié)果見(jiàn)表2?？梢?jiàn)，規(guī)格0.041 mg和0.070 mg的3D打印地高辛片的片重差異分別為(0.213 8±0.017 0)g和(0.358 7±0.034 0)g，符合2015年版《中國(guó)藥典》正負(fù)5%的要求。

2.4.3 硬度 從2組3D打印地高辛分劑量片中分別隨機(jī)選取6片，采用硬度儀進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表2?？梢?jiàn)，規(guī)格0.041 mg與0.070 mg的3D打印地高辛片的平均硬度分別為(26.17±2.38)N、(55.47±4.32)N，可滿(mǎn)足臨床藥物轉(zhuǎn)移運(yùn)輸要求。質(zhì)量大、體積大的藥片硬度更高，提示可通過(guò)增加體積來(lái)加大硬度。

2.4.4 脆碎度 從2組3D打印地高辛分劑量片中分別隨機(jī)選取數(shù)片(使其質(zhì)量為6.5 g)，精密稱(chēng)定質(zhì)量后，放入脆碎度儀中，以25 r/min轉(zhuǎn)動(dòng)4 min，拿出片劑，吹去表面粉末，再次稱(chēng)定質(zhì)量，計(jì)算丟失的質(zhì)量百分比，結(jié)果見(jiàn)表2。可見(jiàn)，2組打印片脆碎度均為0，提示3D打印片抗震耐磨能力較佳。

2.4.5 崩解時(shí)限 從2組3D打印地高辛分劑量片中分別隨機(jī)選取6片測(cè)其崩解時(shí)限，根據(jù)2015年版《中國(guó)藥典》四部通則0921規(guī)定的方法，每片須在15 min內(nèi)完全崩解，結(jié)果見(jiàn)表2。可見(jiàn)，規(guī)格0.041 mg與0.070 mg的3D打印地高辛片的平均崩解時(shí)間分別為(9.8±1.1)min和(13.5±0.6)min，符合2015年版《中國(guó)藥典》小于15 min的要求。

藥片規(guī)格/mgd/mmh/mmm/g硬度/N脆碎度/%崩解時(shí)限/min0.0418.94±0.023.37±0.010.213 8±0.017 026.17±2.3809.8±1.10.07010.41±0.034.28±0.010.392 6±0.034 055.47±4.32013.5±0.6

注： 0.04 1 mg模型為d=8 mm、h=3.2 mm; 0.07 mg模型為d=9.6 mm,h=4 mm。

2.5 3D打印地高辛分劑量片的含量與含量均勻度

按照2015年版《中國(guó)藥典》地高辛片的含量測(cè)定方法：分別隨機(jī)選取2組3D打印地高辛片20片，精密稱(chēng)定，研細(xì)，精密稱(chēng)取適量(約相當(dāng)于地髙辛0.041、0.070 mg)，置25 mL量瓶中，加稀乙醇適量，超聲約30 min使地高辛溶解，放冷，加稀乙醇稀釋至刻度，搖勻，0.22 μm濾膜濾過(guò)，取續(xù)濾液作為供試品溶液，精密量取20 μL，注入液相色譜儀，記錄色譜圖；另取地高辛對(duì)照品，同法測(cè)定。按外標(biāo)法以峰面積計(jì)算地高辛劑量。結(jié)果顯示，0.041、0.070 mg規(guī)格的3D打印地高辛片的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為(100.00±2.44)%和(98.59±2.86)%，符合2015年版《中國(guó)藥典》95%～105%的要求。

2.6 3D打印地高辛分劑量片的溶出度

按照2015年版《中國(guó)藥典》四部通則0931溶出度與釋放度測(cè)定法(第三法)，隨機(jī)取本品6片，以水250 mL為溶出介質(zhì)，轉(zhuǎn)速100 r/min，依法操作，60 min時(shí)取溶出液用0.22 μm濾膜濾過(guò)，取續(xù)濾液作為供試品溶液，測(cè)定地高辛的含量并計(jì)算每片的溶出量。結(jié)果顯示，0.041 mg和0.070 mg 3D打印地高辛分劑量片60 min的釋放率分別為(99.7±0.8)%和(98.1±1.3)%，符合2015年版《中國(guó)藥典》65%的溶出限規(guī)定要求。提示該3D打印處方及制備工藝可達(dá)到難溶性藥物在介質(zhì)中的釋放需求。

3 討論

3.1 3D打印地高辛分劑量片的處方可打印性

熔融沉積3D打印制藥技術(shù)，打印處方中基質(zhì)的種類(lèi)、比例是打印片質(zhì)量的直接決定因素。與傳統(tǒng)制藥技術(shù)不同，熔融沉積3D打印藥物粉末無(wú)需考慮粉末可壓性，但打印材料粉體的流動(dòng)性(進(jìn)料是否順暢)、黏彈性(擠出是否順暢)與室溫成型性等決定了制劑的可打印性，也由此決定了片劑硬度、崩解、溶出等關(guān)鍵性能。

打印材料粉體的流動(dòng)性低，粉末無(wú)法從進(jìn)料口由螺桿順利帶動(dòng)至熱熔室，打印材料供應(yīng)不足造成空打，此問(wèn)題可通過(guò)加入潤(rùn)滑劑(如5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硬脂酸鎂)解決。在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，打印物料粉末粒徑大小也會(huì)影響打印，粒徑越小的打印粉末，發(fā)生螺桿運(yùn)轉(zhuǎn)卡殼幾率越高。這是由于粉末粒徑越小，相同質(zhì)量下內(nèi)表面積越大，粉末流動(dòng)時(shí)摩擦力越大，更容易造成螺桿卡殼。

打印材料的黏彈性影響打印粉末熔融后能否順利擠出。打印粉末在熔融流動(dòng)、冷卻固化過(guò)程中會(huì)分別表現(xiàn)出液體和固體的性質(zhì)，即表現(xiàn)出黏性和彈性。若材料黏性過(guò)低，打印中會(huì)出現(xiàn)無(wú)法拉絲、打印材料彼此無(wú)法聚集成型的現(xiàn)象。黏性過(guò)高，打印中難以擠出，出絲較細(xì)。當(dāng)材料彈性過(guò)高時(shí)，打印區(qū)域范圍會(huì)大大超過(guò)正常設(shè)定打印范圍，打印材料在熔融室內(nèi)存在擠壓應(yīng)力，從打印噴嘴擠出后釋放應(yīng)力導(dǎo)致出絲變粗，打印模型偏大，甚至材料由應(yīng)力向噴嘴側(cè)方、上方擠出，造成無(wú)法著床打印。因此，打印處方宜選擇黏性較高、彈性較低的打印材料。

3.2 打印工藝參數(shù)對(duì)打印片質(zhì)量的影響

在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，除打印基質(zhì)直接影響打印片的質(zhì)量外，打印參數(shù)(如打印溫度、打印速度、噴嘴與平臺(tái)的距離等)的設(shè)置也會(huì)影響打印片的機(jī)械性質(zhì)及釋藥特性。

打印溫度影響材料的黏彈性，溫度過(guò)高，熔融材料黏性降低，會(huì)導(dǎo)致出料增多，流動(dòng)性增加，藥片內(nèi)部無(wú)3D打印獨(dú)有的梯狀疊加縫隙，導(dǎo)致片劑硬度較高，崩解時(shí)間更長(zhǎng)，同時(shí)導(dǎo)致實(shí)際打印面積會(huì)溢出打印模型。本研究依次考察了53～59 ℃打印溫度，最終在56 ℃時(shí)打印出絲均勻，正常擠出絲寬與噴嘴口徑一致。

打印速度一方面決定藥片制備效率，一方面影響打印效果。打印速度過(guò)快，供料跟不上噴嘴移動(dòng)速度，物料會(huì)出現(xiàn)出絲不連續(xù)，絲徑變細(xì)的現(xiàn)象。所成片劑表面及內(nèi)部會(huì)拉大正常的梯狀疊加縫隙，導(dǎo)致成片硬度降低，崩解加快。打印速度過(guò)慢則材料擠出過(guò)多導(dǎo)致模型溢出，并且打印效率低下。綜合選擇后，選取15 mm/s作為最終打印速度。

此外，打印噴嘴的選用、噴嘴與平臺(tái)的距離、層高的設(shè)置等，均會(huì)對(duì)打印片質(zhì)量、硬度及崩解造成影響。當(dāng)前市售的打印噴嘴有0.2、0.4、0.6、0.8 mm幾種規(guī)格，越低口徑的噴嘴對(duì)打印漿料的可打印性要求越高，打印效果越精細(xì)，但打印效率也越低。本研究選取打印效率最高的0.8 mm噴嘴，以打印實(shí)際絲寬0.8 mm設(shè)置為層厚，最終取得較佳的打印效果。

3.3 小結(jié)

未來(lái)醫(yī)療的發(fā)展方向一定是基于基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)的個(gè)體化醫(yī)療，如何對(duì)不同患者進(jìn)行個(gè)體化給藥是每一位藥師需要面臨的問(wèn)題。通過(guò)處方篩選、打印參數(shù)設(shè)置，采用熔融沉積3D打印技術(shù)可制備合格的個(gè)性化劑量藥片，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)患者體重、體表面積、血壓等生理指標(biāo)進(jìn)行個(gè)性化給藥，達(dá)到更好的治療效果。3D打印制藥為特殊患者尤其是兒童分劑量用藥提供了一種解決方案。