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實驗室，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，在計算機的控制下，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過速、心房顫動和撲動等癥狀的強心苷，其安全范圍窄，個體差異大[9]，中毒量僅為有效量的1.5～2倍。對于肝腎功能發(fā)育不全的兒童，個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(昆山博力邁三維打印科技有限公司)；A11粉碎機(德國IKA公司)；YPD-200C片劑硬度測定儀與LB-2D崩解時限測定儀(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：020160805)；地高辛對照品(98.8%，中國食品藥品檢定研究院，批號：100015-200709)；聚乙二醇4000(藥用級，德國Sasol公司)；聚乙二醇6000(藥用級，廣州南方化玻公司分裝)；泊洛沙姆188(醫(yī)藥級，德國BASF公司)；泊洛沙姆407(醫(yī)藥級，德國BASF公司)；硬脂酸鎂(食品級，鄭州康本生物科技有限公司)；無水乙醇(分析純，廣州化學(xué)試劑廠)；乙腈(色譜純，德國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打印機中熔融，然后按計算機預(yù)設(shè)路徑擠出成型的工藝，為此選擇60 ℃以下的低熔點藥用輔料聚乙二醇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)實驗基礎(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(見表1)。其中硬脂酸鎂是為了增強材料粉體流動性便于連續(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

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表1中9個處方的3D打印片的外觀見圖1。由圖1a-c可見，3種單輔料打印基質(zhì)均能快速固化成型，PEG4000出絲較細，表面可見明顯螺紋，部分片劑會出現(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黏性過大，導(dǎo)致擠出量難以控制，片心呈隆起狀。

a～i. 分別對應(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，在前期實驗中，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，漿料過于黏稠且崩解時間超過15 min。而且泊洛沙姆407比例低于1∶5，會發(fā)生出絲過細，導(dǎo)致打印缺失的現(xiàn)象。由圖1d-e可見，泊洛沙姆407與PEG4000按 1∶4或1∶5混合時，可打印性差，片劑表面粗糙，說明泊洛沙姆407與PEG4000混合打印效果難以控制。

由圖1f-i可見，泊洛沙姆188與PEG4000在1∶4及1∶5時打印效果最佳，漿料擠出均勻細膩，所成片劑完整美觀，外表光滑，平均崩解時間分別為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粉碎，加入質(zhì)量分數(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算機模型設(shè)計

選擇實心圓柱體片作為打印形狀，經(jīng)測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，計算出打印片的體積，選擇適當?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。由計算機軟件magics建立模型，切片軟件Repetier-Host進行切片，對打印參數(shù)進行相應(yīng)設(shè)置，生成Gcode 格式文件，導(dǎo)入3D打印機進行打印。

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打印機可識別的Gcode文件轉(zhuǎn)入閃存卡(Trans-flash，TF)中，插入機器，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試驗打印參數(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選取10片，用游標卡尺測量片的直徑與高，結(jié)果見表2。可見，2種規(guī)格地高辛分劑量的實際打印體積較計算機模型設(shè)計的體積略有擴大，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選取20片，精密稱定每片重量，計算平均片重，結(jié)果見表2。可見，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《中國藥典》正負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選取6片，采用硬度儀進行測定，結(jié)果見表2。可見，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，可滿足臨床藥物轉(zhuǎn)移運輸要求。質(zhì)量大、體積大的藥片硬度更高，提示可通過增加體積來加大硬度。

2.4.4 脆碎度 從2組3D打印地高辛分劑量片中分別隨機選取數(shù)片(使其質(zhì)量為6.5 g)，精密稱定質(zhì)量后，放入脆碎度儀中，以25 r/min轉(zhuǎn)動4 min，拿出片劑，吹去表面粉末，再次稱定質(zhì)量，計算丟失的質(zhì)量百分比，結(jié)果見表2。可見，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 崩解時限 從2組3D打印地高辛分劑量片中分別隨機選取6片測其崩解時限，根據(jù)2015年版《中國藥典》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)果見表2。可見，規(guī)格0.041 mg與0.070 mg的3D打印地高辛片的平均崩解時間分別為(9.8±1.1)min和(13.5±0.6)min，符合2015年版《中國藥典》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《中國藥典》地高辛片的含量測定方法：分別隨機選取2組3D打印地高辛片20片，精密稱定，研細，精密稱取適量(約相當于地髙辛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，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；另取地高辛對照品，同法測定。按外標法以峰面積計算地高辛劑量。結(jié)果顯示，0.041、0.070 mg規(guī)格的3D打印地高辛片的質(zhì)量分數(shù)分別為(100.00±2.44)%和(98.59±2.86)%，符合2015年版《中國藥典》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《中國藥典》四部通則0931溶出度與釋放度測定法(第三法)，隨機取本品6片，以水250 mL為溶出介質(zhì)，轉(zhuǎn)速100 r/min，依法操作，60 min時取溶出液用0.22 μm濾膜濾過，取續(xù)濾液作為供試品溶液，測定地高辛的含量并計算每片的溶出量。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、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打印藥物粉末無需考慮粉末可壓性，但打印材料粉體的流動性(進料是否順暢)、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性低，粉末無法從進料口由螺桿順利帶動至熱熔室，打印材料供應(yīng)不足造成空打，此問題可通過加入潤滑劑(如5%質(zhì)量分數(shù)的硬脂酸鎂)解決。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，打印物料粉末粒徑大小也會影響打印，粒徑越小的打印粉末，發(fā)生螺桿運轉(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，粉末流動時摩擦力越大，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、冷卻固化過程中會分別表現(xiàn)出液體和固體的性質(zhì)，即表現(xiàn)出黏性和彈性。若材料黏性過低，打印中會出現(xiàn)無法拉絲、打印材料彼此無法聚集成型的現(xiàn)象。黏性過高，打印中難以擠出，出絲較細。當材料彈性過高時，打印區(qū)域范圍會大大超過正常設(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)對打印片質(zhì)量的影響

在研究過程中發(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、噴嘴與平臺的距離等)的設(shè)置也會影響打印片的機械性質(zhì)及釋藥特性。

打印溫度影響材料的黏彈性，溫度過高，熔融材料黏性降低，會導(dǎo)致出料增多，流動性增加，藥片內(nèi)部無3D打印獨有的梯狀疊加縫隙，導(dǎo)致片劑硬度較高，崩解時間更長，同時導(dǎo)致實際打印面積會溢出打印模型。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。打印速度過快，供料跟不上噴嘴移動速度，物料會出現(xiàn)出絲不連續(xù)，絲徑變細的現(xiàn)象。所成片劑表面及內(nèi)部會拉大正常的梯狀疊加縫隙，導(dǎo)致成片硬度降低，崩解加快。打印速度過慢則材料擠出過多導(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、噴嘴與平臺的距離、層高的設(shè)置等，均會對打印片質(zhì)量、硬度及崩解造成影響。當前市售的打印噴嘴有0.2、0.4、0.6、0.8 mm幾種規(guī)格，越低口徑的噴嘴對打印漿料的可打印性要求越高，打印效果越精細，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)的個體化醫(yī)療，如何對不同患者進行個體化給藥是每一位藥師需要面臨的問題。通過處方篩選、打印參數(shù)設(shè)置，采用熔融沉積3D打印技術(shù)可制備合格的個性化劑量藥片，可實現(xiàn)根據(jù)患者體重、體表面積、血壓等生理指標進行個性化給藥，達到更好的治療效果。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。