Abstract
目的
探究以熔融沉积成型(fused deposition modeling, FDM)3D打印技术制备治疗高血压复方片剂的可行性, 并对所制备的FDM 3D打印复方片剂进行相关的体外质量评价。
方法
以聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)丝材作为辅料, 设计了具有两个独立隔室的椭圆形片剂(长轴20 mm, 短轴10 mm, 高5 mm), 其层高为0.2 mm, 外壳厚为1.2 mm, 顶和底厚均为0.6 mm, 两个隔室间的隔断厚为0.6 mm。使用FDM 3D打印机进行打印; 以卡托普利(captopril, CTP)和氢氯噻嗪(hydrochlorothiazide, HCT)为模型药物, 将其分别填充在片剂的两个隔室内。以扫描电镜观察制剂的外观形态, 考察制剂的质量差异和硬度, 以高效液相色谱法测定制剂中的药物含量, 并用溶出仪对制剂的体外释药行为进行表征。
结果
所制备的FDM 3D打印复方片剂均形态良好, 无打印缺陷; 平均质量为(644.3±6.55) mg, 其中CTP含量为(52.3±0.26) mg, HCT含量为(49.6±0.74) mg。观察到CTP和HCT在体外的延迟释放, 延迟释药时间分别为20 min和40 min, 释药70%的时间分别在30 min和60 min内。
结论
采用FDM 3D打印技术成功制备了CTP和HCT复方片剂, 并且所打印的复方片剂质量良好。
Keywords: 熔融沉积成型; 打印, 三维; 高血压; 复方合剂; 片剂
Abstract
Objective
To explore the feasibility of preparing compound tablets for the treatment of hypertension by fused deposition modeling (FDM) 3D printing technology and to evaluate the quality of the printed compound tablets in vitro.
Methods
Polyvinyl alcohol (PVA) filaments were used as the exci-pient to prepare the shell of tablet. The ellipse-shaped tablets (the length of major axes of ellipse was 20 mm, the length of the minor axes of ellipse was 10 mm, the height of tablet was 5 mm) with two separate compartments were designed and printed using FDM 3D printer. The height of layer was 0.2 mm, and the thickness of roof or floor was 0.6 mm. The thickness of shell was 1.2 mm, and the thickness of the partition wall between the two compartments was 0.6 mm. Two cardiovascular drugs, captopril (CTP) and hydrochlorothiazide (HCT), were selected as model drugs for the printed compound tablet and filled in the two compartments of the tablet, respectively. The microscopic morphology of the tablets was observed by scanning electron microscopy (SEM). The weight variation of the tablets was investigated by electronic scale. The hardness of the tablets was measured by a single-column mechanical test system. The contents of the drugs in the tablets were determined by high performance liquid chromatography (HPLC), and the dissolution apparatus was used to measure the in vitro drug release of the tablets.
Results
The prepared FDM 3D printed compound tablets were all in good shape without printing defects. The average weight of the tablets was (644.3±6.55) mg. The content of CTP and HCT was separately (52.3±0.26) mg and (49.6±0.74) mg. A delayed in vitro release profile was observed for CTP and HCT, and the delayed release time for CTP and HCT in vitro was 20 min and 40 min, respectively. The time for 70% of CTP and HCT released was separately 30 min and 60 min.
Conclusion
CTP and HCT compound tablets were successfully prepared by FDM 3D printing technology, and the printed tablets were of good qualities.
Keywords: Fused deposition modeling; Printing, three-dimensional; Hypertension; Drug combinations; Tablets
熔融沉积成型(fused deposition modeling，FDM)3D打印技术是一种将热塑性的丝材加热熔融后在计算机软件辅助下，逐层在打印台上堆积出目标模型的技术[1]。近几年，相较于选择性激光烧结、立体光刻、粉床喷墨打印等3D打印技术，FDM 3D打印技术凭借成本低廉、操作便捷和较好的成型效果等优势在制剂领域备受关注，FDM 3D打印制剂也成为了研究热点[2]。相较于传统压片技术，FDM 3D打印具有以下优点：可以构建复杂几何形状的制剂，制备剂量个性化的制剂，控制复方制剂中不同药物的释放行为以减少其相互作用和提高生物利用度等[3-4]。
高血压是一种慢性非传染性疾病，是诸多心脑血管疾病的重要危险因素。在35~75岁的中国成年人中，近一半人患有高血压[5]。根据中国医师协会高血压专业委员会出版的《高血压合理用药指南(第二版)》[6]，对于单药治疗不达标者或2级以上高血压患者，建议选用两种不同类型的药物进行联合用药，其中肾素-血管紧张素-醛固酮系统抑制剂联用利尿剂是一种常见的用药组合。研究表明，复方制剂相比于等效的单方制剂，患者有着更高的依从性和更高的治疗达标率[7]。卡托普利(captopril, CTP)是一种血管紧张素转化酶抑制剂，氢氯噻嗪(hydrochlorothiazide，HCT)是一种中效利尿药，两者均为高血压治疗的一线药物, 两药联用已用于临床治疗，《中华人民共和国药典(2020版)》(以下简称药典)也收载了CTP和HCT的复方片剂[8]。
本研究利用FDM 3D打印技术的优势，设计并打印具有双隔室的片剂，将上述两种药物选作模型药物，分别填充在打印片剂的两个隔室内，制成FDM 3D打印复方制剂。两种药物在物理上完全隔离且剂量可调，以期满足个性化治疗、提高依从性和提高治疗效果的需求。
1. 材料与方法
1.1. 试剂与仪器
1.1.1. 材料和试剂
卡托普利购自西安嘉博盈生物科技有限公司，氢氯噻嗪购自武汉远成共创科技有限公司(含量>98%)，聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA) 3D Filament 1.75 mm购自深圳eSUN易生公司，盐酸(分析纯)和磷酸(分析纯)购自北京化工厂，甲醇(色谱纯)和乙腈(色谱纯)购自美国Thermo Fisher公司，磷酸二氢钠购自北京市通广精细化工公司。
1.1.2. 仪器
Mass Portal Pharaoh XD桌面3D打印机购自以色列Stratasys公司，3D Builder软件购自美国Microsoft公司，Simplify 3D软件购自美国Simplify 3D公司，ME104电子天平购自上海梅特勒-托利多仪器有限公司，MultiTest-i物性测定仪购自英国Mecmesin公司，RC-6智能溶出度测试仪购自天津市新天光分析仪器技术有限公司，Agilent 1260分析型高效液相色谱仪购自美国Agilent公司，JSM-7900F型场发射扫描电镜购自日本电子公司。
1.2. 制剂的设计
制剂的模型设计如图 1所示，为完全隔离的双隔室椭圆形片剂；其片剂外部长轴为20.0 mm，短轴为10.0 mm，厚度为5.0 mm；片剂壁厚为1.2 mm，中隔厚为0.6 mm；打印层高为0.2 mm，顶和底厚均为0.6 mm，其中CTP和HCT的含量均为50.0 mg。
图 1.
3D打印复方片剂模型的设计
Design of the 3D printed compound tablet
CTP, captopril; HCT, hydrochlorothiazide.
1.3. 制剂的制备
根据制剂参数，使用3D Builder软件建立3D打印复方片剂的数字化模型，并保存为3MF格式输入到Simplify 3D打印软件中。设置打印参数如下：打印头温度180 ℃，平台温度80 ℃，打印速度3 600 mm/min，移动速度9 000 mm/min。
1.4. 制剂的形态
采用数码相机对复方片剂的表面进行拍照，同时采用扫描电镜分别对片剂的侧面和横截面在30倍和1 000倍下拍照。
1.5. 制剂的质量
以万分之一天平分别称量每一个片剂的质量，计算其平均质量、每片质量与平均质量的差异百分比和相对标准偏差(relative standard derivation，RSD，n=10)。
1.6. 制剂的硬度
使用物性测定仪测试片剂短轴方向的硬度，探头的测试行程为9.6 mm，测试压力上限值为900 N(n=6)。
1.7. 制剂的药物含量
本实验中含量测定均使用Agilent 1260分析性高效液相色谱仪进行，参考药典[8]中CTP复方片剂的色谱条件，采用十八烷基硅烷键合硅胶为填充剂，以0.01 mol/L磷酸二氢钠溶液-甲醇-乙腈(体积比为70 ∶ 25 ∶ 5，用磷酸调节pH值至3.0)为流动相，柱温40 ℃，测定波长210 nm，进样量20 μL(以峰面积定量)。分别以浓度为5、10、20、40、80、120、160 mg/L的CTP和HCT混合溶液建立标准曲线，以10、40、120 mg/L的混合溶液测定精密度，以含PVA的10、40、120 mg/L混合溶液测定回收率。
取3片复方片剂，分别置于烧杯中，加入250 mL 0.1 mol/L盐酸搅拌至完全溶解后转移到500 mL容量瓶中定容，经0.45 μm滤膜过滤后按上述色谱条件，每个样品进样3针，分别记录两种药物的色谱峰面积，并代入相应的标准曲线计算出各自的药物含量。
1.8. 药物的体外溶出
体外溶出实验使用溶出仪(篮法)进行(n=3)，溶出介质为900 mL 0.1 mol/L盐酸，温度为(37±0.5) ℃，搅拌速率为100 r/min。分别在20、40、60、80、100、120、140、160、180 min时从每个容器中取出10 mL释放介质，并补加同温的0.1 mol/L盐酸10 mL，取出的样品通过0.45 μm滤膜过滤即得待测液[9]。依1.7小节中的色谱方法对待测液进行定量分析，分别计算得到两种药物的累计释放量，并以时间与累计释药百分比绘制两种药物的溶出曲线。
2. 结果
2.1. 制剂的形态
2.1.1. 实物照片
复方片剂形状完整，表面连接紧密、光滑，且密封良好，无漏药现象；椭圆形片剂的长轴、短轴和厚度均与设计一致(图 2)。
图 2.
3D打印片剂的实物照片(20.0 mm×10.0 mm×5.0 mm)
Photographs of the 3D printed tablets (20.0 mm×10.0 mm×5.0 mm)
2.1.2. 扫描电镜照片
30倍的侧面电镜图显示片剂的侧面每层厚度均匀，层高约200 μm(图 3A)，这一方面说明了打印效果良好，另一方面也反映了丝材的直径均匀度良好，同时层与层之间连接紧密，无缝隙；1 000倍的侧面电镜图进一步说明了层与层之间连接紧密(图 3B)。30倍的横截面电镜图聚焦了片剂内部纵隔与侧壁连接的部分，图片显示片剂纵隔和侧壁连接紧密，完全可以实现片剂两个隔室的物理隔离，同时片剂的底面连接紧密无缝隙(图 3C)；1 000倍的横截面电镜图进一步说明了底面的连接紧密与完整(图 3D)。
图 3.
3D打印片剂的扫描电镜照片
SEM photos for lateral and cross section of the 3D printed tablets
A, side view (30×); B, side view (1 000×); C, cross section (30×); D, cross section (inner side of bottom, 1 000×).
2.2. 制剂的质量
复方片剂的平均质量为(644.3±6.55) mg，每片的质量如表 1所示。制备的3D打印片剂均低于±5%的质量差异限度，与文献水平相当；平均RSD为1.02%，文献中同类制剂的RSD在1%~10%[10-15]。
表 1.
3D打印片剂的质量和质量差异
Weights and weight variation of the 3D printed tablets
| Number | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| Weight/mg | 652.5 | 632.7 | 645.6 | 652.7 | 650.6 | 633.9 | 642.6 | 644.2 | 642.9 | 646.0 |
| Weight variation/% | 1.27 | -1.80 | 0.20 | 1.30 | 0.98 | -1.61 | -0.26 | -0.02 | -0.22 | 0.22 |
2.3. 制剂的硬度
在硬度测定过程中，观察到与传统压制片剂不同的现象，即片剂仅发生形变而外壳主体并未破碎，且当撤去压力后仍能大致恢复原状，说明以PVA为材料的3D打印外壳表现出一定的弹性。虽然对本实验所制备的PVA复方制剂外壳施加了较大的压力，但在仪器测试限度内制剂均未发生破碎。图 4为硬度测定过程中具有代表性的压力与形变的关系曲线，该片剂的应力峰值大于800 N；在形变量2 mm左右还可观察到压力值在140~200 N的小峰，从这一峰值推测，尽管制剂外部主体肉眼观察完好，但内部结构可能受到了轻微破坏。由于这一应力峰的峰形不够尖锐，仪器未将其计作制剂硬度值。
图 4.
3D打印片剂的应力-形变量曲线
Stress-deformation curve of the 3D printed tablet
2.4. 制剂的药物含量
在预定色谱条件下，HCT的保留时间为2.27 min，CTP的保留时间为5.69 min，两者的分离度R=17.2，符合药典大于1.5的要求。精密度实验中，依峰面积计算，HCT高、中、低浓度的RSD分别为0.68%、0.89%、1.11%，CTP高、中、低浓度的RSD分别为1.50%、0.66%、1.75%。以C为浓度，A为峰面积，经过线性回归拟合得到：HCT的回归方程为A=28.764C+145.54，R2=0.999 3；CTP的回归方程为A=28.764C+145.54，R2=0.999 1。本实验中HCT在高、中、低浓度的回收率分别为102%、100%、105%，CTP在高、中、低浓度的回收率分别为103%、100%、104%，基本满足药典对定量分析方法的要求[9]。
HCT的药物含量为(49.6±0. 74) mg，CTP的药物含量为(52.3±0.26) mg, RSD分别为1.54%和0.52%，与文献中同类制剂的水平一致[10-15]。
2.5. 制剂的体外溶出
CTP和HCT体外溶出曲线如图 5所示，CTP和HCT的延迟释放时间分别小于20 min和40 min，HCT的延迟释放更为明显。CTP和HCT释药70%需要的时间分别大于30 min和60 min，CTP的释药速度更快。CTP和HCT完全释药时间大约为80 min和100 min。
图 5.
3D打印片剂的体外溶出曲线
In vitro dissolution curve of 3D printed tablets
CTP, captopril; HCT, hydrochlorothiazide.
3. 讨论
3.1. 模型的设计
本研究利用FDM 3D打印技术在构建复杂模型制剂中的优势设计了两隔室的复方制剂。在剂量选择上，由于个性化制剂的药物含量需要在常用剂量的基础上做出调整，我们选择了药典所收录的两种片剂的最大规格，即CTP 50 mg和HCT 50 mg[8]，此时制剂的尺寸较大，常规剂量或更低剂量的药物均可装载到其中。在制剂形状上，我们前期研究了圆柱形片剂，但发现加药操作的空间较小，因此改进为从长轴方向加药更便利的椭圆形片剂，并且在保证能够装载CTP和HCT各50 mg的前提下设计尽可能小的模型。同时我们参照了文献[15-16]中的层高、顶底厚、侧壁厚和内纵隔厚。
FDM 3D打印制剂目前主要有3种载药方式：溶剂浸泡法、热熔挤出法和打印并填充法。前两种是制备载药丝材的方法，制剂是使用载药丝材打印而成的[17]；其中，以热熔挤出法研究最多，但因其需要对药物进行高温加工，要求药物具有较好的热稳定性而受到一定的限制。有文献报道CTP在135 ℃下会有部分分解，200 ℃以上开始大量降解[18]。为此，本研究采用了打印并填充的方法，该法是以不载药的丝材打印制剂，再将药物填到制剂中，因而不需要考虑药物的热稳定性，从而拓展了可用于FDM 3D打印制剂的药物范围[17]。目前在实验室规模的制备中，可以将称量的药粉全部加入到片剂中。若进行规模化生产，还需要考虑加入助流剂、润滑剂等成分，并通过粉体学性质研究以保证剂量的准确。
3.2. 制剂的硬度
关于3D打印片剂的硬度测定，由于制剂采用逐层堆积的制造方法，硬度具有各向异性，目前尚无统一的测定标准。鉴于打印制剂的层状结构，我们重点考察了片剂侧向的硬度，因为如果相邻层之间的粘合力不强，打印的片剂可能会在测试过程中裂开或弯曲[19]。在整个测试过程中，没有观察到制剂外壳层与层之间连接的位移或崩解，说明制剂外壳具有一定的强度。即使考虑到小峰的存在，制剂可承受的硬度也超过了150 N。相较于类似文献报道的3D打印制剂[10-15]，本研究所制备的3D打印复方制剂表现出了良好的机械强度。
3.3. 制剂的体外溶出
在溶出实验中，3个片剂均显示出了相似的释放曲线，各取样点每种药物浓度的RSD值均较小，说明本研究制备的FDM 3D打印片剂质量稳定，能产生较一致的释放规律。
两种药物均呈现一定的延迟释放，药物释放曲线呈S型，经实验观察，推测药物在体外溶出的过程分为三个阶段：第一阶段，首先由PVA外壳限制水分渗入片剂的内部，随后少量溶解的药物经外壳层扩散，此过程药物溶出量少且速度较慢；第二阶段，随着外壳逐渐溶解和溶蚀而变薄直至解散，药物溶出量迅速增加且溶出速度加快；第三阶段，随着片剂中剩余药量的下降，药物释放速度逐渐降低。此外，由于HCT本身水溶性比CTP低[20-21]，第一阶段很难溶出，第二阶段片剂外壳破裂后药物虽然立即释放出来，但因其溶解速度缓慢，导致HCT的延迟释放比CTP更为明显。
经延迟释放时间后，两种药物的释放速度均较快，在20 min内CTP的释放从20%达到80%，HCT的释放从10%达到70%。因此，考虑下一步可研究并采用溶解和溶蚀更加迅速的辅料替代PVA，以减少延迟释放时间，制成速释的3D打印复方制剂。
综上所述，本研究使用FDM 3D打印技术通过打印并填充的方式成功制备了包含CTP和HCT的两隔室复方制剂。制备的制剂外观良好，密封紧密，硬度也可以满足使用的要求，复方片剂的质量差异和药物含量均与同类文献水平一致。同时该模型能够实现两种药物在物理上的完全隔离，尽管HCT和CTP两者并不会发生相互作用，但这为含有产生相互作用成分的其他复方制剂的制备提供了解决方案。两种药物均可以呈现出稳定的体外释放特性，为今后控制药物释放速率提供了可能。FDM 3D打印在药物生产中的应用是目前个性化医疗的重要技术之一，但3D打印制剂的发展是一个循序渐进的过程，我们期待随技术的发展、设备的更新，FDM 3D打印技术能够提供高效生产、成本低廉、安全有效的符合临床用药需求的制剂，更多地应用于临床，与传统压片技术在各自擅长的领域发挥所长，相得益彰。
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