Не удивляйтесь, если в будущем увидите таблетки необычной формы. На первый взгляд они могут показаться забавными, но они могут контролируемым образом высвобождать лекарственные вещества внутрь организма. Используя комбинацию передовых вычислительных методов и 3D-печати, можно создавать объекты, которые растворяются в жидкости в заданном формате.
Группа ученых-компьютерщиков из Института информатики Макса Планка в Саарбрюккене, Германия, и Калифорнийского университета в Дэвисе изобрели процесс, который опирается исключительно на форму объекта для контролируемого по времени выпуска. Это будет иметь важные последствия для фармацевтической промышленности , которая недавно начала уделять особое внимание 3D-печати.
Забавно выглядящие таблетки — это не дизайнерская уловка, они могут высвобождать лекарство в желаемом временном режиме. Контроль уровней фармацевтических препаратов у пациентов является важной частью лечения. В случае внутривенной инфузии концентрацию в крови определяют по скорости капельного введения, умноженной на долю препарата во в/в растворе. Постоянный уровень препарата может быть достигнут путем первоначального введения большой дозы и последующего поддержания ее меньшими дозами. При пероральном приеме этот режим обеспечить значительно сложнее.
Одной из идей было бы использование многокомпонентных структур из нескольких материалов с различной концентрацией лекарственного средства в разных местах, что сложно изготовить. С другой стороны, большие успехи в 3D-печати и ее непреодолимые возможности для создания сложных форм , изготовление лекарств в свободной форме с постоянным распределением биохимического вещества в материале-носителе в настоящее время является жизнеспособным вариантом. Для таких препаратов высвобождение зависит исключительно от геометрической формы, которую легче обеспечить и контролировать.
Проект, возглавляемый доктором Вахидом Бабаи (MPI for Informatics) и профессором Джулианом Панеттой (UC Davis), создает 3D-объекты, которые растворяются в желаемой функции времени, таким образом высвобождая свое содержимое контролируемым образом. Умело сочетая математическое моделирование, экспериментальную установку и 3D-печать, команда может печатать 3D-формы, которые доставляют определенное количество лекарства по мере их растворения. Это может быть использовано для установки заранее определенных концентраций лекарств посредством пероральной доставки.
Поскольку после попадания в желудочно-кишечный тракт никакое внешнее воздействие невозможно , желаемое высвобождение лекарственного средства в зависимости от времени должно быть вызвано формой (активной растворяющейся поверхностью) образца. Приложив некоторые усилия, по заданной геометрической форме можно рассчитать зависящее от времени растворение. Для сферы, например, она строго пропорциональна уменьшающейся сферической поверхности.
Исследовательская группа предлагает прямое моделирование, основанное на геометрической интуиции, согласно которой объекты растворяются по одному слою за раз. Однако практиков в первую очередь интересует определение желаемого высвобождения, а затем поиск формы, которая растворяется в соответствии с этим профилем высвобождения. Даже при таком эффективном прямом моделировании обратное проектирование для нахождения подходящей трехмерной формы для желаемого режима приема лекарств сопряжено со значительными трудностями.
Именно здесь находит применение оптимизация топологии (TO): прямое моделирование инвертируется, чтобы найти форму, которая демонстрирует определенное свойство. Первоначально разработанный для механических компонентов , TO получил широкое применение. Команда первой предложила обратную стратегию проектирования, чтобы найти форму поведения выпуска на основе оптимизации топологии. Растворение подтверждается экспериментально: измеренные кривые высвобождения очень близки к желаемым значениям.
В экспериментальной установке объекты печатаются с использованием 3D-принтера на основе нити. Затем растворение оценивается системой камер, т.е. фактически измеряется, а не просто рассчитывается с помощью математической модели . Для этого оптически регистрируют коэффициент пропускания растворителя. В отличие от методов измерения, обычно используемых до сих пор, которые непосредственно определяют концентрацию активного ингредиента (например, путем титрования), этот метод намного быстрее и проще в настройке. Оптические методы измерения плотности активных ингредиентов, кстати, используются уже довольно давно: когда из винограда делают пюре для изготовления вина, рефрактометрически определяют содержание сахара (Öchsle) в виноградном соке.
Метод обратного проектирования также может включать различные ограничения технологичности различных производственных систем. Например, его можно модифицировать для создания экструдированных форм, что не препятствует массовому производству. Помимо обсуждаемого применения в фармацевтике, другие возможности включают производство каталитических тел или даже крупнозернистых удобрений.
