薬学分野における3Dプリント技術の現状

著者: シャオ・ニシャ

近年、3Dプリンティング技術は医薬品の印刷において一定の成果を上げており、その中でも錠剤、徐放性製剤、薬物輸送が研究のホットスポットとなっています。 2015 年 8 月、Aprecia が設計した初の 3D プリント医薬品、Spritam (レベチラセタム) 速溶錠が FDA により販売承認されました。この薬は、同社が開発したZipDose 3Dプリント技術プラットフォームに基づいて製造されています。ZipDose技術を使用して製造されたレベチラセタムの速溶性錠剤は多孔質特性を持ち、従来の錠剤よりもはるかに水中で拡散し、一口の水で溶かすことができます。

現在、製剤分野で使用されている 3D 印刷技術には、主に熱溶解積層法 (FDM) 技術、選択的レーザー焼結法 (SLS) 技術、ステレオリソグラフィー (SLA) 技術、サーマルインクジェット印刷 (TIJ) 技術が含まれます。その中で、FDM 技術は医薬品の分野で最も広く使用されています。市販の FDM プリンターと印刷ソフトウェアは、主に錠剤や徐放性製剤、制御放出製剤の製造に使用されています。

3Dプリント製剤用医薬品添加剤
3D プリント固形製剤の基本原理は溶融押し出しと堆積成形ですが、すべての溶融原材料が医薬品に適しているわけではありません。 3D プリントされた医薬品製剤に使用される押し出し消耗品は、人体に無害であるか、人体から容易に排泄されるものでなければならないため、材料に対する要件は比較的高くなります。一般的なものには、コポリビドン VA64 と AffinisolTM15、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ポリカプロラクトン、エチレン酢酸ビニル共重合体 (EVA)、ポリビニルアルコール (PVA) の混合物が含まれます。

コポリビドンは水溶性ポリマー樹脂で、白色の粉末で、無臭、無味であり、水、エタノール、無水アルコールなどの非極性溶媒に溶け、接着性、フィルム形成性、表面活性に優れています。一部の学者は、コポリビドンVA64やアフィニソルTM15（ポリビニルアルコール-ポリエチレングリコール共重合体）などのさまざまなポリマーを使用し、それらを薬剤と混合してホットメルト押し出しし、印刷に使用できる材料を準備しました。結果は、コポリビドンVA64とアフィニソルTM15の1：1混合物が、3D印刷と迅速な薬剤放出に適したポリマーシステムであることを示しました。

ヒドロキシプロピルメチルセルロース (HPMC) は安全で無毒であり、医薬品製造プロセスで賦形剤としてよく使用されます。ヒドロキシプロピルメチルセルロースを主補助材料として使用し、ソルプラスを主薬と混合し、溶融押し出し、薬剤印刷用消耗品を調製し、滑らかな表面とコンパクトな構造を持つ制御放出錠剤に印刷します。

ポリカプロラクトンは生体適合性と生分解性に優れた新しいタイプの樹脂です。現在では、主に放出制御薬剤キャリアや医療用外科用縫合糸に使用されています。ポリカプロラクトンを主なポリマー化合物として使用して、ポリマーナノカプセルを充填した 3D プリント錠剤が製造され、ナノテクノロジーと 3D プリント技術の組み合わせにより、パーソナライズされた製造方法を使用して薬剤の放出と投与量を調整する利点と、ナノスケールを使用して薬剤の放出速度を制御する利点を組み合わせることができることがわかりました。

エチレン酢酸ビニル共重合体（EVA）は、毒性のない新しいタイプの環境に優しいプラスチックフォーム材料です。異なる仕様の EVA を主な賦形剤として使用し、ホットメルト押し出しの主薬に添加しました。押し出されたワイヤーは、走査型電子顕微鏡 (SEM)、赤外分光法 (IR)、示差走査熱量測定 (DSC)、X 線回折 (PXRD)、in vitro 薬物放出などの方法で分析および研究され、押し出された材料および印刷された固形製剤中の API の結晶形と放出速度が決定されました。生成された薬剤は繊維表面からより容易に放出され、その外側領域に胞子を形成することがわかった。

ポリビニルアルコール（PVA）は、人体に無毒で、副作用がなく、生体適合性に優れた高分子有機物質です。薬物製剤の研究では、眼に使用する水溶性ゲルの調製に使用できます。その水性ゲルは眼科、創傷被覆材、人工関節などに広く利用されており、同時にポリビニルアルコールフィルムは医薬膜、人工腎臓膜などにも使用されています。ブデソニドを含む繊維は、HME（ホットメルト押し出し）を使用してうまく製造され、繊維内のブデソニド含有量は、アルコール溶液による膨張によって達成されるものよりもはるかに高くなりました。 TGA 分析と DSC データにより、ブデソニドは HME 中に分解されなかったことが確認されました。

3D プリントと薬剤調製<br /> 薬物合成における 3D 印刷技術の応用と比較すると、市販の 3D プリンターと既存のソフトウェアは、薬物製剤、特に錠剤や徐放性製剤の調製に適しています。従来の製造方法と比較して、3D プリント技術を使用して医薬品を製造することには、次のような大きな利点があります。①成形速度が速い。②さまざまな材料の精密成形と局所的なマイクロ制御を実現できる。③原材料の無駄がない。④より正確な生産。製薬技術と3Dプリンティング技術を組み合わせることで、オンデマンドで医薬品を製造・販売できるようになると期待されています。将来的には、医師は患者の診断に基づいてデジタル処方箋を処方し、処方情報をバーコードに簡略化することができます。患者は処方情報のバーコードを使用して3Dプリンターで薬を印刷し、最終的に治療のために薬を服用することができます。 3Dプリンターを使用して医薬品を調製することで、オンデマンドの医薬品調製が可能になり、医薬品の生産がより正確になり、医薬品の在庫が削減またはなくなることが期待され、医薬品の保管の問題が解決されます。

3D プリンティングと新薬開発<br /> 新薬の研究開発は、その国の製薬産業の経済力と技術力を反映するものであり、その研究状況は、その国の製薬産業の存続と発展に直接影響を及ぼします。新薬開発において、動物モデルとヒト組織の違いにより、後期段階の薬物臨床試験が失敗に終わるケースが多くあります。この問題に対処するため、一部の研究者は、複雑な生体内組織に近い試験管内組織を構築し、組織モデルを使用して新薬スクリーニングや薬物実験を行うというアプローチを採用しています。しかし、従来の方法では生体臓器組織モデルを構築するのは非常に困難です。科学技術の発展により、3Dプリント技術を使用して肝臓や血管などの生体臓器を印刷することができます。3Dプリント技術で印刷された生体臓器を新薬スクリーニングや薬物実験に適用することは、新薬の創出を促進し、新薬の研究開発に新しい方法を提供するのに役立ちます。

3D プリントと伝統的な中国医学<br /> 中医学における「ホリスティックコンセプト」と「症候鑑別に基づく治療」の理論によれば、中医学の医師は治療過程で患者の状態、体質などを総合的に考慮して薬を処方します。しかし、中医学の煎じ薬、錠剤、散剤、顆粒剤などの剤形には、煎じる、持ち運びに不便、味が悪い、患者にとって投与量が多い、揮発油などの有効成分が失われる、薬物の溶解速度が制御できないなどの問題があり、中医学の近代化をある程度制限しています。 3D プリントは、伝統的な漢方処方に基づいたデジタル設計に使用でき、処方用量をより正確にし、製剤中の揮発性油の安定性を向上させ、体内での有効成分の放出速度をより適切に制御し、さまざまな患者の投薬ニーズを満たし、より優れた治療効果を実現します。

3Dプリント技術を漢方製剤の調製プロセスに適用することで、従来の製剤では大量の補助材料の添加、造粒、乾燥、加圧、球形化などのプロセスが必要であるという問題を解決し、漢方薬の個別投与を実現できます。3Dプリント技術は、包装用量の要件と設計された3次元グラフィックスに従って、加工された貴重薬材料を適切な3次元形状に印刷するために使用でき、用量での使用が容易でない貴重薬材料の問題を解決することが期待されます。3Dプリントノズルに漢方薬の揮発性油をカプセル化し、設定されたプログラムと3次元グラフィックスに従って錠剤の中心に直接印刷することで、薬物の揮発を減らし、薬物の安定性を高め、効能を確保できます。

3Dプリント医薬品と従来の医薬品は互いに補完し合い、相補関係にあります。一方、伝統的な医薬品製造は長い実践期間を経て徐々に成熟し、工業化と規模拡大において独自の利点を持っています。一方、新興技術である3Dプリントは、さまざまな材料の精密な成形と局所的なマイクロ制御を実現でき、より精密な特性を持ち、従来の医薬品では実現できない特殊な治療効果を実現できます。しかし、薬学における 3D プリント技術の応用はまだ初期段階にあり、多くの問題に直面しています。しかし、科学研究者のたゆまぬ努力により、これらの問題は解決されると信じています。3Dプリント技術と薬学の融合は、今後の発展の新たな潮流となり、3Dプリント医薬品の普及は間近に迫っています。

参考文献:
[1] Liu Donghan、Liang Jun、Luo Juyuan、et al。医薬品製造プロセスにおける3Dプリント技術の研究進歩と応用[J]。中国漢方薬、2019(17)。
[2] Zhao Hongling、Wang Chen、Gao Jundong、et al. 3Dプリント製剤用医薬品賦形剤の研究の進歩[J]。臨床医学文献電子ジャーナル、2019、6(03):200-201。
[3] 陳国寧、舒華、于培、羅志民、杜偉、張春、傅強。3Dプリント技術の医薬品研究への応用[J]。中国薬学雑誌（第16号）：1353-1359。

著者について: 食品技術従事者の肖尼沙は、華南理工大学食品科学工学部を卒業し、食品科学の修士号を取得しました。現在は国内の大手製薬研究開発会社に勤務し、栄養食品の開発と研究に従事しています。

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