Technologia druku 3D w farmacji

Koncepcja druku 3D powstała w latach 70. ubiegłego wieku i od tego czasu jest wykorzystywana w wielu dziedzinach, w tym przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym czy spożywczym. Możliwości, jakie dostarcza, mają potencjał rozwoju branży farmaceutycznej oraz zrewolucjonizowania dotychczasowych modeli produkcyjnych. Niepodważalną zaletą druku 3D jest niezwykła elastyczność w projektowaniu złożonych struktur, dostosowywaniu dawek i kombinacji leków, a także możliwość wdrożenia szybkiej produkcji na niewielką skalę, umożliwiając tym samym sprostanie wielowymiarowym potrzebom branży farmaceutycznej. Druk przestrzenny może zostać wykorzystany do produkcji szerokiej gamy systemów dostarczania leków, takich jak tabletki, kapsułki, plastry oraz implanty – w szpitalach, a także aptekach – aby umożliwić kontrolowane i ukierunkowane podawanie leków. Przypuszczalnie poprawi to skuteczność oraz bezpieczeństwo wyrobów farmaceutycznych i zmniejszy ryzyko wystąpienia skutków ubocznych. Druk przestrzenny nie tylko pomaga zwiększyć dostęp do opieki zdrowotnej, ale także oferuje możliwość produkcji na żądanie, w różnych lokalizacjach – również w aptekach i szpitalach. Nie można jednak zapominać, że nadal istnieje znaczna bariera, aby zapewnić, że leki drukowane w 3D mają taką samą skuteczność, bezpieczeństwo i stabilność, jak produkty konwencjonalnie wytwarzane przez przemysł farmaceutyczny. Ustanowienie wytycznych, przepisów oraz całych systemów bezpieczeństwa stosowania leków drukowanych w 3D to ogromne wyzwanie dla organów regulacyjnych, szczególnie w obliczu restrykcyjnych wymagań sektora farmaceutycznego.

Druk przestrzenny w farmacji – wybrane zastosowania

Projektowanie systemów uwalniania leków

Dzięki drukowi 3D możliwe jest tworzenie farmaceutyków o złożonych formach geometrycznych, co przekłada się na skuteczniejsze kontrolowanie uwalniania substancji czynnej w organizmie pacjenta. Otrzymanie wieloskładnikowych i wielomateriałowych struktur – z różnym rozkładem stężeń leku w poszczególnych obszarach – jest trudne do osiągnięcia innymi technikami. Produkty o przedłużonym uwalnianiu są dostępne na rynku od dłuższego czasu, jednak kontrolowanie miejsca uwalniania do tej pory sprawiało spore trudności. Produkty drukowane w technologii 3D wykazują obiecującą zdolność opóźnionego rozpadu, nawet w niskich odcinkach przewodu pokarmowego, jak np. okrężnicy. Jednym ze szczególnie nowatorskich rozwiązań jest połączenie leków o natychmiastowym i przedłużonym uwalnianiu w pojedynczej formie dawkowania. Pacjent mógłby przyjmować np. raz dziennie produkt zawierający w sobie dwa lub więcej składników o różnej farmakokinetyce.

Medycyna spersonalizowana

W ostatnich latach pojawiła się koncepcja medycyny spersonalizowanej, która obejmuje skoordynowanie procesu leczenia indywidualnie do każdego pacjenta. Większość leków jest produkowana masowo, a wybrane schematy terapii przewidują dawkę wymaganą do bezpiecznego i terapeutycznego efektu u „przeciętnego” chorego. Wykorzystując proces produkcji warstwa po warstwie, druk trójwymiarowy może wytwarzać wydruki (tabletki drukowane w 3D), które są zindywidualizowane do wymagań terapeutycznych pacjenta (np. sposobu dawkowania, kombinacji substancji czynnych czy profili uwalniania leków), a także osobistych preferencji (np. kształtu, rozmiaru, tekstury czy smaku). Druk 3D wykazuje potencjał do tworzenia szerokiej gamy wyrobów farmaceutycznych – od szybko rozpuszczających się formulacji, preparatów o kontrolowanym uwalnianiu, tabletek dojelitowych, czopków, wyrobów medycznych, po elastyczne kombinacje wielolekowe. Strategie zorientowane na pacjenta obejmują poprawę smaku i połykalności, zmniejszenie obciążenia tabletkami, zwiększenie dokładności dawkowania itp.

Badania kliniczne

Wykorzystanie druku przestrzennego na etapie tworzenia leku usprawnia prototypowanie na potrzeby badań klinicznych oraz umożliwia optymalizację nowych formulacji. Takie rozwiązanie zapewnia stosunkowo szybkie wytwarzanie licznych partii tabletek o różnych formułach – do badań in vitro, przedklinicznych lub klinicznych. Przyspieszyłoby to identyfikację kluczowych parametrów wpływających na skuteczność i bezpieczeństwo leków. W porównaniu z tradycyjnymi technikami produkcji drukowanie 3D leków mogłoby umożliwić wcześniejsze zbieranie istotnych danych w procesie opracowywania leków, przyspieszając wejście i zakończenie badań klinicznych oraz skracając czas i koszty. Warto wspomnieć, że jedną z zalet takiego rozwiązania jest możliwość tworzenia modeli tkanek, które ściśle przypominają fizjologię człowieka, zmniejszając tym samym potrzebę przeprowadzania testów na zwierzętach.

Technologie 3D w produkcji leków

Chociaż obecnie jest mało prawdopodobne, aby druk 3D na stałe zastąpił konwencjonalną, masową produkcję większości leków, możliwość elastycznego wytwarzania jest szczególnie obiecująca w wybranych zastosowaniach. W porównaniu do aktualnie wykorzystywanych procesów w przemyśle farmaceutycznym druk przestrzenny ma charakter addytywny, gdzie model jest konstruowany przy użyciu oprogramowania komputerowego, następnie cięty i przenoszony do drukarki, a finalnie konstruowany warstwa po warstwie. Korzyści z produkcji małych partii i prototypowania formulacji farmaceutycznych są powszechnie znane, zatem nie dziwią dążenia do wykorzystania tej technologii w wielkoskalowej produkcji, m.in. ze względu na przenośność, kompaktowość oraz łatwość obsługi drukarek 3D, które można w prosty sposób integrować. W przemyśle farmaceutycznym obecnie wdrożono tylko kilka z licznych technik druku 3D. Poszczególne procedury różnią się w zależności od konkretnych wymagań wytwarzanego produktu. Niezwykle istotną kwestią jest wybór materiału stosowanego do drukarek 3D. Pośród pożądanych cech warunkujących wybór należy wymienić właściwy profil uwalniania, stabilność oraz kompatybilność z wybraną techniką drukowania, wśród stosowanych materiałów natomiast – laktozę, kwas polimlekowy, alkohol poliwinylowy, żelatynę oraz glikol polietylenowy. Najczęściej wykorzystywane techniki drukowania 3D do celów farmaceutycznych to drukowanie metodą formowania ekstruzyjnego (z ang. Extrusion Moulding Pronting, EMP), kropli na proszku (z ang. Drop On Powder, DOP) oraz selektywne spiekanie laserowe (z ang. Selective Laser Sintering, SLS).

EMP

Jest jedną z najczęściej stosowanych metod. Jedno z podejść polega na podgrzaniu do stanu półpłynnego polimeru zawierającego lek, a następnie za pomocą dyszy drukującej wytłoczenie go na platformie. Proces, mimo że stosunkowo prosty, jest ograniczony ryzykiem degradacji termicznej aktywnych składników farmaceutycznych podczas podgrzewania dyszy do drukowania. Innym podejściem w EMP jest ciśnieniowe wytłaczanie pasty przez głowicę drukującą opartą na strzykawce. W tym przypadku ograniczenie związane z degradacją termiczną jest pomijane, natomiast stosunkowo skomplikowany jest proces przygotowania pasty.

DOP

Wykorzystuje krople środka wiążącego do wiązania proszku osadzonego na platformie roboczej, warstwami, aż do uzyskania pożądanego produktu. Metoda ta jest stosunkowo łatwa do skalowania, ale wymaga obróbki końcowej produktu.

SLS

Rodzaj łączenia proszkowego, oznaczanego skrótem SLS, to kolejna oparta na proszkach technika drukowania 3D. Wykorzystuje laser CO₂ do selektywnego spiekania wybranych obszarów warstw proszków. Produkcja obiektu 3D opiera się na kontrolowanym krzepnięciu ciekłej żywicy poprzez fotopolimeryzację. Metoda ta zapewnia bardzo dokładną i precyzyjną skalę drukowania, stąd zastosowanie obejmuje przede wszystkim produkty wymagające wysokiego poziomu precyzji.