コンピュータグラフィックスの国際トップジャーナル: 奇妙な形状の錠剤の 3D プリント - 体内での経口薬の制御放出を実現

はじめに: あなたが覚えている薬は、元の錠剤またはカプセルの形ですか?将来、奇妙な形の錠剤を目にしても驚かないでください。研究者たちは、錠剤の形状を設計することで、体内での薬物の放出プロセスを制御できることを発見したからです。

2023年5月、アンタークティックベアは、ドイツと米国の研究者が先進的なコンピューティング手法と3Dプリント技術を組み合わせて、制御可能な形で液体に溶解できる物体を製造し、薬剤を効率的かつ標的に合わせて放出できるようにし、製薬分野における3Dプリント技術の発展をさらに促進していることを知りました。彼らの研究は、「リリースからの形状：制御リリース構造の逆設計と製造」というタイトルで ACM Transactions on Graphics に掲載されました。

ヴァヒド・ババエイ博士とジュリアン・パネッタ教授が率いるこのプロジェクトでは、時間の関数として溶解する 3D 構造を印刷し、制御された方法で放出できるようにします。研究者らは、数学的モデリング、実験セットアップ、3D プリントを巧みに組み合わせて、薬剤が溶解するにつれて定量的な薬剤送達を実現できる複雑な 3D 形状の構造を印刷しました。

背景形状の異なる物体は溶液中で非常に異なる方法で溶解するため、形状の異なる物体の溶解速度を予測することは、特に製薬分野では重要な問題です。しかし、より重要かつ困難なのは、形状による溶解の制御、つまり、材料が特定の時間内に溶媒中で所望の放出挙動を示すように形状を設計することです。

研究内容

研究者たちは、計算逆設計を導入することで上記の問題を解決しました。

●まず、物理学にヒントを得た、単純で微分可能な順方向溶解モデルを紹介します。

●第二に、逆設計は、感度解析によって得られた解析的導関数にアクセスできるPDE制約を伴うトポロジー最適化として記述されます。

●ここでも、最適化の目標では製造可能性が考慮されるため、設計は理論レベルにとどまりません。

●最後に、提案されたアプローチを検証および分析するために、シミュレーションと 3D プリントを通じてさまざまな構造が製造されました。

簡単に言えば、研究者たちは物体の形状に完全に依存する時間制御放出プロセスを発明しました。これは製薬業界における 3D プリントの発展を促進するでしょう。これらの興味深い見た目の錠剤は単なる仕掛けではなく、望ましい時間枠内で薬剤を放出し、患者の薬剤濃度を正確に制御することができ、これは薬物治療の重要な部分です。点滴の場合は、点滴速度と点滴液中の薬剤の割合を掛け合わせることで血中濃度が決定されますが、経口投与の場合は薬剤濃度を正確に保証することが困難です。

研究者のアイデアは、異なる場所に異なる薬剤濃度を備えた複数のコンポーネント、複数の材料の構造を使用することです。これは製造するのが困難でしたが、3D プリントの大きな進歩と複雑な形状を作成できる能力のおかげで、成分の分布を制御した医薬品の製造が可能になりました。このタイプの薬剤の場合、薬剤の放出時間と量は幾何学的形状に完全に依存するため、確保と制御が容易になります。

錠剤は消化管内で摂取された後は外部の影響を受けないため、望ましい時間依存の薬剤放出はサンプルの形状（溶解活性表面）から生じる必要があります。研究者たちは、与えられた形状に基づいて時間の経過に伴う溶解速度を計算できることに気付きました。そこで研究チームは、錠剤が層ごとに溶解していく様子をシミュレートする順方向シミュレーションを提案した。しかし、研究者が最も関心を持っているのは、まず望ましい放出を定義し、次にその放出プロファイルに従って溶解する形状を見つけることです。この効率的なフォワードシミュレーションを使用しても、目的の薬物療法に適した 3 次元形状を見つけるためのリバースエンジニアリングには大きな困難が伴います。

ここでトポロジー最適化 (TO) が登場します。つまり、順方向のシミュレーションを逆にして、特定のプロパティを持つ形状を見つけます。 TOはもともと機械部品用に開発され、幅広い用途に使用されています。チームは、トポロジー最適化に基づいて放出挙動から最も適切な形状を決定するリバース設計戦略を開拓し、実験を通じてそれを検証しました。最終的に測定された放出曲線は、必要な値に非常に近いものでした。リバース設計法では、さまざまな製造システムのさまざまな製造可能性の制約も組み込むことができます。例えば、押し出し形状を製作できるように改造することもできるので、大量生産にも支障をきたしません。議論された医薬品用途に加えて、さらなる可能性としては、触媒体や粗粒肥料の製造も含まれます。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1145/3550454.3555518

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