个性化剂量熔融沉积成型3D打印茶碱片剂的制备和体外评价

Abstract

Objective

To explore the feasibility of preparing different doses of tablets for personalized treatment by fused deposition modeling (FDM) 3D printing technology, and to evaluate the in vitro quality of the FDM 3D printed tablets.

Methods

Three different sizes of hollow tablets were prepared by fused deposition modeling 3D printing technology with polyvinyl alcohol (PVA) filaments. Theophylline was chosen as the model drug. In the study, 20 mg, 50 mg and 100 mg of theophylline was filled into the cavity of the tablets, respectively. The microscopic morphology of the tablets was observed by scanning electron microscopy (SEM). The weight variation of the tablets was investigated by weighing method. The hardness of the tablets was measured by tablet hardness tester. The contents of the drugs in the tablets were determined by ultraviolet and visible spectrophotometry (UV-Vis), and the dissolution apparatus was used to assay the in vitro drug release of the tablets.

Results

The prepared FDM 3D printed tablets were all in good shape without printing defects. And there was no leakage phenomenon. The diameter and thickness of the tablets were consistent with the design. The layers were tightly connected, and the fine structure of the formulation could be clearly observed without printing defects by scanning electron microscopy. The average weight of the three sizes of tablets was (150.5±2.3) mg, (293.6±2.6) mg and (456.2±5.6) mg, respectively. The weight variation of the three sizes of tablets were boss less than 5%, which met the requirements; The hardness of the tablets all exceeded 200 N; The contents of theophylline in the three tablets were 98.0%, 97.2% and 97.9% of the dosage (20 mg, 50 mg and 100 mg), and the relative standard deviation (RSD) was 1.06%, 1.15% and 0.63% respectively; The time for 80% drug released from the three dosage of tablets was within 30 min.

Conclusion

Three different dosages of theophylline tablets were successfully prepared by FDM 3D printing technology in this study. The exploration may bring beneficial for the preparation of personalized dose preparations. We expect that with the development of 3D printing technology, FDM 3D printed personalized tablets can be used in the clinic as soon as possible to provide personalized treatment for patients.

3D打印(又称为增材制造)是一系列以计算机辅助设计模型为基础，将材料(如金属、塑料和生物材料等)逐层堆积制造出实体物品的自动化工艺过程的统称^[1]。熔融沉积成型(fused deposition modeling, FDM)是一种基于挤出成型的增材制造方法，它采用带有加热腔的挤出头不断输送熔融状态的聚合物丝材，按预定加工轨迹逐层堆叠固化，从而打印出实体^[2]。近年来FDM 3D打印技术成为研究热点，与其他3D打印技术相比，具有工艺成熟、稳定，成型尺寸小，设备体积小，操作便捷，以及适于多种场合应用等优势^[3]。3D打印技术已用于药剂学的不同领域，涉及口服、埋植和透皮等途径给药的制剂。相较于传统制剂，3D打印制剂因其逐层堆积的制造方式，使其在设计和制备个性化制剂方面具有很大优势。茶碱是一种常用的平喘药，可使平滑肌张力降低，呼吸道扩张。在治疗哮喘时，不同剂量的茶碱适用于不同人群^[4]。针对不同患者个体使用不同剂量的茶碱非常必要，因此，根据要求设计了20、50和100 mg三种不同剂量进行研究。

本研究使用FDM 3D打印技术，选用茶碱为模型药物，设计并打印20、50和100 mg三种不同剂量的片剂，并对其形态、平均质量、硬度、药物含量和体外释放等进行系统评价，探索以FDM 3D打印技术制备个性化剂量制剂的方法。

1. 材料与方法

1.1. 试剂与仪器

1.1.1. 材料和试剂

茶碱(纯度99%，批号20180625)购自上海皓元生物医药科技有限公司，聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA，型号PVAX-175-N，批号17HJiAj02S-5008)购自深圳易生实业有限公司，盐酸(分析纯)购自北京化工厂。

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 18.0.1931.0软件购自美国Microsoft公司，Simplify 3D 4.1.2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，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，UV-1100型紫外可见分光光度计购自上海美谱达仪器有限公司，Merlin Compact热场发射扫描电镜购自德国ZEISS公司，YD-20KZ片剂硬度仪购自天津市天大天发科技有限公司。

1.2. 制剂的设计

制剂模型为中空的圆柱形片剂(图 1)，分为三种尺寸以对应不同的剂量，片剂中空部分填充的茶碱含量分别为20、50和100 mg，三种片剂的外部尺寸[直径(diameter, d)和高度(height, h)]、打印的层高和顶底厚等参数见表 1。

图 1.

3D打印片剂模型的设计

Design of the 3D printed tablet

表 1.

FDM 3D打印片剂的参数设计

Parameters of the FDM 3D printed tablets

Dosage/mg	Diameter/mm	Height/mm	Layer height/mm	Roof thickness/mm	Floor thickness/mm	Number of shells
FDM, fused deposition medeling.
20.0	10.0	3.2	0.2	0.8	0.4	2
50.0	12.0	4.2	0.2	0.8	0.4	2
100	14.4	5.2	0.2	0.8	0.4	2

1.3. 制剂的制备

根据制剂参数(表 1)，使用3D Builder软件建立3D打印片剂的数字化模型，并保存为3MF格式输入到Simplify 3D打印软件中。使用Simplify 3D软件设置打印参数，设置完毕后导出为gcode格式，并导入打印机中进行打印。

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。

打印至空腔片剂上层顶盖时暂停打印，手动加入称量好的药物，继续打印，得到茶碱片剂。

1.4. 制剂的形态

1.4.1. 实物照片

采用数码相机对片剂进行拍照。

1.4.2. 扫描电镜照片

采用扫描电镜(加速电压5.00 kV，工作距离9.5~10.0 mm，放大30倍)分别对片剂的侧面和横截面拍照。

1.4.3. 制剂的质量

以万分之一天平分别称量每一个片剂的质量，计算其均数、标准差和相对标准偏差(relative standard deviation，RSD)。

1.5. 制剂的硬度

应用片剂硬度测定仪进行测定片剂径向的硬度，测试压力上限值为200 N。

1.6. 制剂的药物含量

1.6.1. 紫外-可见分光光度法含量测定

参考《中华人民共和国药典》中茶碱缓释片的测定条件^[5]，使用紫外-可见分光光度法进行。标准曲线的制备: 精密称取茶碱约20 mg，用0.1 mol/L的盐酸溶解，配制出储备液，再用0.1 mol/L的盐酸分别稀释到2.5、5、10、25和50倍制备样品溶液，在波长272 nm处测定光密度。以浓度为横坐标，光密度为纵坐标绘制标准曲线。精密度: 分别吸取上述配制的稀释到2.5、5、10倍的茶碱样品溶液，重复测定光密度6次，计算精密度。回收率: 按上述制作标准曲线的方法配制茶碱的样品溶液，并在其中加入处方量的PVA, 测定低、中、高三种浓度茶碱溶液的光密度，与不含PVA的结果相比较，计算回收率。

1.6.2. 药物含量

20、50和100 mg三种不同剂量的片剂各取3片置于烧杯中，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0.22 μm滤膜过滤后取续滤液，依次用紫外-可见分光光度法测定含量(n=3)。

1.7. 药物的体外溶出

体外溶出实验参考《中华人民共和国药典》^[5]，使用转篮法进行(n=6)，溶出介质为900 mL 0.1 mol/L盐酸，温度为(37.0±0.5) ℃，搅拌速率为100 r/min。分别在第5、10、15、20、30、45、60和120分钟时从每个容器中取出5 mL释放介质，并补加同温度的0.1 mol/L盐酸5 mL，取出的样品通过0.22 μm滤膜过滤取续滤液作为待测液。依1.6.1小节方法对待测液进行定量分析，分别计算得到三种片剂的药物累积释放量，以时间为横坐标，累积释药百分含数为纵坐标绘制三种片剂的药物溶出曲线。

2. 结果

2.1. 制剂的形态

2.1.1. 制剂外观

打印完成后的片剂形状完整(图 2)，表面致密，且密封性良好，无漏药现象。20 mg组片剂直径和高度分别为(10.0±0.1) mm和(3.2±0.1) mm，50 mg组片剂直径和高度分别为(12.0±0.1) mm和(4.2±0.1) mm，100 mg组片剂直径和高度分别为(14.4±0.1) mm和(5.2±0.1) mm，片剂的直径和厚度均与设计相符。

图 2.

3D打印片剂实物

Photographs of the 3D printed tablets

2.1.2. 扫描电镜照片

观察片剂的横截面和侧面(图 3)，可见制剂外壳均由丝材紧密堆积而成，表面和侧面每层厚度均匀，层与层之间紧密连接，能清晰地观察到制剂的细微结构，无打印缺陷。

图 3.

3D打印片剂的扫描电镜和实物照片

SEM and sample photos for lateral and cross section of the 3D printed tablets

A, cross section (×30); B, side view (×30); C, cross section; D, side view.

2.2. 制剂的质量

20 mg组片剂的平均质量为(150.5±2.3) mg，50 mg组的平均质量为(293.6±2.6) mg，100 mg组的平均质量为(456.2±5.6) mg，制备的3D打印片剂质量差异均低于5%，符合《中华人民共和国药典》要求；20、50和100 mg三种片剂的RSD分别为1.5%、0.87%和1.3%。与同类制剂的研究文献相比^[6-9]，本研究3D打印制剂的精度较高。

2.3. 制剂的硬度

在硬度测定过程中，压力达到200 N后，片剂仍未破碎，且撤去压力后能够大致恢复原状，说明所打印片剂具有一定弹性。传统的片剂经硬度测试后均崩散，无法恢复原状。

2.4. 制剂的药物含量

2.4.1. 紫外-可见分光光度法

茶碱的线性回归方程为A= 0.053 5C + 0.012 3R² = 0.999 3，其中，C为茶碱药物浓度，A为光密度。精密度实验中，茶碱高、中、低浓度的RSD分别为0.67%、0.53%和0.94%，本实验中茶碱在高、中、低浓度的回收率分别为100.3%、98.7%和95.7%，均在95%~102%范围内，符合《中华人民共和国药典》要求。

2.4.2. 药物的含量

茶碱20、50和100 mg三种剂量片剂的药物含量分别为(19.6±0.3) mg、(48.6±0.6) mg和(97.9±0.7) mg，即分别为药物标示量的98.2%、97.2%和97.9%，RSD分别为1.06%、1.15%和0.63%，均小于1.5%，符合《中华人民共和国药典》要求。

2.5. 制剂的体外溶出

茶碱含量为20、50和100 mg 3D打印片剂的体外溶出曲线如图 4，三种剂量茶碱片剂药物释放80%需要的时间均小于30 min，第45分钟时接近完全释放。并且溶出试验进行至第2小时时，由水溶性PVA丝材制成的骨架已全部溶解，溶出杯中已无法观察到片剂外壳残留。2020版《中华人民共和国药典》中的缓释茶碱片剂2 h溶出20%~40%，缓释胶囊1 h溶出13%~38%^[5]，与这两种缓释制剂相比，本实验设计的3D打印片剂实现了快速的药物释放。

图 4.

3D打印片剂的体外溶出曲线

In vitro dissolution curve of the 3D printed tablets

3. 讨论

3.1. 3D打印技术与个性化治疗

个性化治疗被美国食品药品监督管理局认为是“精准医疗”的同义词，通常是指将正确的药物、按正确的剂量、在正确的时间给予正确的患者。个性化治疗不仅包含药物基因组学、分子诊断等与“正确的患者和正确的药物”相关的部分，“正确的剂量”也是其中的重要组成部分，即根据患者治疗需要进行包括剂型、剂量在内的给药定制^[10-11]。由于患者的年龄、性别、体质量、代谢、遗传因素、病理状态和耐药等情况不同，由标准剂量制剂治疗产生的疗效和毒副作用差异很大^[12]。英国医药和健康产品管理局也将给药剂量的个体化定义到个性化治疗中，可见按剂量给药在个性化治疗和精准医疗中的重要性。药剂科面临的最常见的问题是难以配出个性化剂量的药物以及个性化的复方药物^[13]。用个性化剂量取代标准化剂量片剂具有重要意义，可以更好地满足个体患者的需求。显然，传统的压片技术，需要多个加工阶段，并且需要经验丰富的人员进行大批量生产。当需要连续修改剂量时，定制用于个性化片剂制造的标准压片系统变得不切实际^[14]。而3D打印制剂可以灵活地改变处方及设计，通过对制剂3D打印模型的尺寸等进行调整，从而生产出具有不同药物剂量的制剂，为患者提供精确的个性化给药剂量^[15]，因此，3D打印已成为制药行业的一种有用和潜在的工具，可促进以患者需求为中心的个性化医疗的发展^[16]。

3.2. 模型设计

本研究利用FDM 3D打印技术可灵活设计和制备制剂的优势，设计了同种结构、不同大小的空腔片剂，空腔中所含茶碱的剂量分别为20、50和100 mg，以用于患者个性化治疗时对不同剂量的需求。在制剂形状上，为了方便加药并防止片剂体积过大，采用了圆柱形片剂模型。在制剂结构上，为了实现药物快速溶出，首先尝试了顶底均为单层、侧壁两层的结构，打印后发现，顶底面有缝隙，导致对药物的密封性不好。随后改成顶底均打印为两层、侧壁两层的结构，又发现底面较好，而顶面较差，仍有缝隙，推测可能的原因为FDM 3D打印依靠逐层堆积，底面有打印平台支撑，丝材间黏合较好，而由于模型为中空结构，顶面大部分悬空无支撑，丝材间黏合不紧密。因而本课题组考虑了两种解决办法: 一是在片剂的中心增加支撑结构；二是加厚顶面，将两层顶面修改为4层顶面。在实际操作中，第一种方法影响加药，第二种方法效果较好，片剂强度足够且溶出时间较短。

3.3. 个性化3D打印制剂的制备

FDM 3D打印技术因其具有较高的灵活性和重现性等优势，具有成为个性化药物主要制造方法的巨大潜力^[17]。目前FDM 3D打印技术制备个性化药物的研究主要有制备缓控释制剂、载药植入物、复方药物制剂和复杂形状制剂等。以Eudragit RL为丝材制备的胶囊，可以在不改变配方的情况下，通过修改外壳的厚度延长药物释放，从而根据特定患者的需求制造出具有个性化释放模式的液体胶囊^[18]。采用FDM 3D打印技术还研究出了针对患者个性化的负载黄体酮的阴道环^[19]。对于患有合并症者(尤其是老年患者)，服用多种固定剂量的药物可能导致依从性差并增加药物误用的风险^[20]，而以3D打印技术可将其所需的多种药物简化成单个复方制剂进行个性化给药^[21]。此外，利用FDM 3D打印技术制备复杂形状剂型的能力，学者们还制备了个性化的用于儿童的糖果形状的药物咀嚼片^[22]。

市场上的茶碱片剂剂量单一，无法根据患者体质量定制个性化剂量而实现精准治疗，因此设计特定剂量的茶碱片剂十分必要。本实验通过改变模型大小制备了20、50和100 mg三种不同剂量片剂模型，使用了打印并填充的方法，操作简单，单片打印时间较短，且方便调整剂量，还避免了对药物进行高温加工^[23]。制备出的三种剂量片剂外观良好，片剂的硬度、重量差异和药物含量均符合《中华人民共和国药典》要求，三种剂量药物片剂均呈现出稳定的体外释放特性。本研究结果证实了利用FDM 3D打印技术灵活改变模型大小以制备特定剂量片剂的可能性。

3.4. 制剂的体外释放

在溶出实验中，20 mg剂量组溶出速度最快，100 mg剂量组溶出速度最慢，但在30 min内都达到80%释药。目前，尽管采用FDM 3D打印技术已研制出了多种药物递送系统，但以其制备速释制剂的难度仍较大，主要是在于将辅料和药物制成载药丝材后，因丝材的致密性使丝材中药物的溶出速率减慢^[24]。既往成功制备的速释制剂: 采用羟丙基纤维素为辅料制备的茶碱片剂在30 min内释放80%的茶碱^[14]；由PVP与增塑剂制成的载药丝制备的茶碱片，在30 min内能完全释放药物^[24]；采用Kollidon VA64和Kollidon 12PF打印的片剂，虽然药物可以速释，但载药量仅为3%，并且需要添加20%的增塑剂^[25]。

本研究利用溶解较快的PVA丝材，采用打印并填充药物的方法，并通过模型的设计和调整，从而达到了速释的目的，既避免了制作载药丝的繁琐操作，也得到了释药速度较快的制剂。

综上所述，本研究采用FDM 3D打印技术，通过打印制剂外壳结合填充药物粉末的方法成功制备出了20、50和100 mg三种剂量的茶碱片剂。所制备的制剂外观良好，片剂的硬度、重量差异和药物含量均符合《中华人民共和国药典》要求，三种剂量药物片剂均呈现出稳定、快速的体外释放特性。本研究为今后打印适合患者的个性化剂量片剂提供了可能性，随着3D打印技术的发展，期待FDM 3D打印个性化片剂可以早日应用于临床，为患者提供个性化治疗。