人工知能チームが新たな戦略で錠剤を3Dプリントする方法を開発

この投稿は Bingdunxiong によって 2023-6-1 10:35 に最後に編集されました

2023年5月31日、アンタークティックベアは、ドイツのザールブリュッケンにあるマックスプランク情報科学研究所とカリフォルニア大学デービス校の科学者チームが、所定の速度で薬剤を放出できる新しい3Dプリント錠剤製造プロセスを開発したことを知りました。この研究は、医薬品、触媒、粗粒肥料製造の分野で将来的に発展が期待されています。

△ 3Dプリント錠剤の例この研究は、大量生産と個別化治療のバランスなど、従来の医薬品生産におけるいくつかの課題に対処することを目的としています。 3D 印刷技術を使用することで、研究者は患者の特定のニーズと薬剤の配合に基づいて、事前に決められた速度でカスタマイズされた錠剤を印刷できます。このアプローチにより、各患者の特定の投与量と薬剤の組み合わせのニーズに基づいた個別製造が可能になり、より正確な治療が提供されます。研究チームのリーダーは、この技術が 3D プリント業界に与える影響について洞察を提供しました。

△論文タイトルは「放出の形状：制御放出構造のリバース設計と製造」（ポータル）
マックス・プランク研究所のヴァヒド・ババエイ博士とカリフォルニア大学デービス校のジュリアン・パネッタ教授が主導する最近発表された研究論文で、研究チームは、錠剤を特定の形状に3Dプリントし、人体内でどれだけ速く溶解するかを判定する方法を実証した。

研究チームは、この形状は静脈内注入などの他の時間指定薬剤投与方法よりも制御が容易であると指摘しており、特に患者の薬物濃度を制御することの重要性を考えると、この新しい方法は製薬業界で大きな可能性を秘めていると言われている。さらに、この方法は医薬品、触媒、粗粒肥料製造などの分野での潜在的な応用が指摘されています。

マックス・プランク情報科学研究所のAI支援設計・製造グループの研究グループリーダーであるババエイ博士は、次のようにコメントしています。「ポイント・オブ・ケアと個別化医療が到来し、3Dプリンティングが重要な役割を果たすと信じています。」

△3Dプリントされた錠剤のデザイン例
リバースエンジニアリング戦略

研究者らは、高度な計算手法、数学的モデリング、FDM ベースの 3D 印刷技術を組み合わせて、新しいプロセスをテストし、評価しました。

研究チームは、トポロジー最適化を通じて開発された設計をシミュレートし、逆シミュレーションを実行して特定の溶解特性を持つ特定の形状を見つけました。その後、実際の実験により溶解挙動に関する予測が検証されました。研究チームによれば、トポロジー最適化に基づく放出挙動から望ましい形状を見つけるために逆設計戦略を使用したのは初めてだという。

実験中、研究者らはまず、Tecdia の 0.2 mm Kaika ノズルを装備した Prusa i3 MK3s FDM 3D プリンターを使用して、必要なコンポーネントを印刷しました。また、サポート構造によく使用される水溶性フィラメントである Infinite Materials Solutions の AquaSys 120 も使用しました。

印刷された部品は蒸留水に入れられ、カメラシステムを使用して部品が溶解する速度が測定されました。溶解速度は通常、高価な専門機器を使用して測定されますが、研究チームは、科学者にとってセットアップがより速く簡単であるため、画像ベースのシステムを使用しました。

最終的に、測定された放出曲線は予想されたものに非常に近いものとなりました。これにより、逆設計戦略の予測が検証され、特定の形状を使用して薬剤の特定の放出速度を決定できることが確認されます。

研究チームは、この新しい錠剤製造プロセスが市場で商業的価値があるかどうかをまだ判断していないが、研究の特許を申請している。「私たちのチームは、研究を実践することに非常に力を入れています」とババエイ博士は言います。実際、チームはすでにレーザー業界向けのスピンオフプロジェクト「Oraclase」を開始しています。

△研究チームは、設計の最適化により、薬剤の放出プロセスが曲線化されると述べた。
初期の3Dプリント医薬品アプリケーション

3D プリント技術は、医薬品分野ではすでにかなりの歴史を持っています。 2016年、Aprecia Pharmaceuticalsは、同社のSpritam医薬品が米国食品医薬品局（FDA）の承認を受け、FDAのプロセスを完了した初の3Dプリント医薬品となったと発表しました。てんかん発作の治療に使用される薬「スプリタム」は、3Dプリントによって瞬時に溶ける錠剤に加工され、通常の錠剤を飲み込むのが難しい患者にとってより利用しやすくなった。

△2016年に、Spritamが初の3Dプリント医薬品として発売されました。この新しい形状ベースのプロセスといくつかの類似点はありますが、Apreciaの製品はそれとは明らかに異なります。ババエイ博士は、スプリタムは単一の溶解プロファイルを持ち、迅速かつ即時に溶解すると説明しました。この新しいプロセスにより、ユーザーは必要に応じて任意のリリースカーブ (高速または非高速) を描画し、そのカーブに基づいて対応する形状を計算できます。

さらに、2020年にはギリシャとイタリアの研究チームが半固体押し出し3Dプリント技術を使用して、薬剤錠剤のカスタマイズと患者固有の薬剤放出速度を調整しました。研究者たちは錠剤を3Dプリントするのではなく、錠剤を部分的にグリセロールでコーティングすることで制御を実現した。研究者らはコーティングの特性を制御することで、錠剤からの2種類の有効医薬品成分（API）の放出速度を調整することに成功した。研究チームによれば、このアプローチにより、患者のニーズに基づいて個別の薬剤放出速度が可能になるという。

全体として、これらの例は、薬剤の放出速度の調整や服用しやすい薬剤形態の提供など、製薬分野における 3D プリントのさまざまな応用を示しており、この技術が個別化医療にもたらす可能性をさらに実証しています。

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