Конкурс «био/мол/текст»-2018

Эта работа опубликована в номинации «Биофармацевтика» конкурса «био/мол/текст»-2018.

---

Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

Партнер номинации — медицинская компания «Инвитро».

---

Спонсором приза зрительских симпатий выступил медико-генетический центр Genotek.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Введение

Сейчас 3D-принтеры могут создавать чуть ли не всё. Начиная с деталей для автомобилей и модных аксессуаров, заканчивая органами для трансплантации и фармацевтическими препаратами. Например, 3D-принтеры могут печатать медицинские устройства со сложным дизайном, геометрией и особенностями, которые соответствуют анатомии конкретного пациента .

О 3D-биопечати органов и тканей рассказывается в статьях «Органы из лаборатории» [1] и «Искусственные органы и тканевая инженерия» [2]. — Ред.

3D-печать в медицинских целях быстро революционизирует здравоохранение. Применение трехмерной печати в медицине дает широкие преимущества: персонализация медицинских изделий, лекарств, экономическая эффективность, повышение производительности и демократизация проектирования и производства.

Перед тем как начать углубляться в тему 3D-печати в фармацевтике, разберемся, что же такое собственно 3D-печать.

Трехмерная (3D) печать — аддитивный (основанный на сложении) производственный метод, при котором объекты изготавливаются слоями путем плавления и спекания твердых или затвердевания жидких материалов (керамика, пластик, металл, порошки, жидкости или даже живые клетки).

Существует около двух десятков способов 3D-печати, в которых используются различные технологии печати, разрешения и скорости. Материалов, из которых можно воссоздать 3D-объект практически любой формы, сотни.

Чтобы трехмерный объект появился на свет, необходимо для начала создать цифровую модель в 3D-редакторе, или CAD-программе, и экспортировать в STL-формат. STL-файл с помощью специальной программы-слайсера перевести в управляющий G-код для 3D-принтера, подготовить 3D-принтер к работе и запустить печать. Важнейшие элементы принтера — рабочая платформа (на ней происходит формирования объекта) и печатающая головка (она формирует объект слой за слоем). Проходит некоторое время (если объект небольшой — несколько минут или часов, а если большой, то печать может занять больше суток), и вуаля, объект готов!

Что такое 3D-печать мы узнали, идем дальше.

Немного истории

• Начало 70-х. Пьер Сиро (Pierre Ciraud) описал метод применения порошкового материала и последующего затвердевания каждого слоя под воздействием луча высокой энергии.
• 1984 год. Стереолитография (SLA), придуманная Чаком Халлом (Chuck Hull), стала первой коммерчески доступной технологией 3D-печати. Этот метод основан на фотополимеризации жидкой смолы ультрафиолетом.
• Середина 1980-х. Карл Декард (Carl Deckard) разработал метод затвердевания слоев порошка с помощью лазерного луча, который назвал методом селективного лазерного спекания (SLS).
• 1989 год. Скотт Крамп (Skott Crump) запатентовал технологию быстрого прототипирования (FDM) — метод, который использует термопластичный материал для формирования 3D-объекта. Иначе эта технология называется моделированием методом наплавления.
• 1990-е. Придуман метод накапывания на твердую подложку (DOS) — в своей основе аналогичный применяемому в струйных принтерах.
• 2008 год. Изобретен принтер RepRap — самокопирующийся механизм для быстрого изготовления прототипов.
• 2015 год. В американской компании Aprecia Pharmaceuticals разработана технология ZipDose, позволяющая формировать таблетки, удобные тем, что быстро растворяются в небольшом количестве воды. По этой технологии было выпущено первое распечатанное на принтере лекарственное средство Spritam®, одобренное FDA (Food and drug administration, Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США) [3].

Словарь

DOD

(Drop On Drop) жидкостное наслоение.

DOS

(Drop On Solid) твердое наслоение.

FDM

метод послойного наплавления, технология аддитивного производства.

SLA

стереолитография, технология аддитивного производства моделей из жидких фотополимерных смол.

SLS

селективное лазерное спекание, технология аддитивного производства.

STL

формат файла, широко используемый для хранения трехмерных моделей объектов для использования в аддитивных технологиях.

Как работает печать лекарств

Много различных методов 3D-печати было придумано и развито за всю ее 40-летнюю историю.

Основные методы 3D-печати (рис. 2) основаны на:

• затвердевании порошкового материала
• затвердевании жидкости
• экструзии [3]

Несмотря на разнообразие методов 3D-печати, каждый из них включает в себя следующие этапы, о которых мы говорили в начале (рис.3) [3]:

• проектирование 3D-объекта при помощи программного обеспечения и оптимизация геометрии объекта в соответствии со спецификацией принтера;
• экспорт 3D-модели в распознаваемый принтером формат файла, например, STL;
• импорт файла в программное обеспечение и создание в нем слоев, которые будут напечатаны. Высота печатного слоя существенно влияет на качество объекта, а также на время печати;
• изготовление объекта путем последующего нанесения (или застывания) слоев материала.

Применение 3D-печати в фармацевтике (примеры)

С историей трехмерной печати познакомились, разобрали методы и технологии 3D-печати, узнали, как происходит процесс, настало время на примерах посмотреть, где уже успешно применяются эти технологии для создания фармацевтической продукции.

Пример 1

Как сообщал выше, первым препаратом, изготовленным с использованием 3D-печати, стал Spritam® (рис. 4), разработанный американской фармацевтической компанией Aprecia Pharmaceuticals и одобренный Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA). Действующее вещество препарата — леветирацетам — противоэпилептическое средство. Леветирацетам способен быстро растворяться во рту, время дезинтеграции (растворения) лекарства составляет от 2 до 27 секунд (средний показатель — 11 секунд). Для дезинтеграции препарата требуется небольшой глоток воды. Жидкая формула, которая связывает леветирацетам и вспомогательные вещества для изготовления лекарственного средства, содержит вкусомаскирующие добавки, улучшающие состояние пациента [4].

Пример 2

FabRx — британская биотехнологическая компания, специализирующаяся на разработке технологии 3D-печати для производства фармацевтических препаратов и медицинских изделий. Компания была основана группой ученых из университетского колледжа Лондона, которые увидели потенциал технологии 3D-печати для создания лекарств [5].

На рисунках 5–7 показаны разработки компании FabRx.

Примеров вышло немного, так как 3D-печать только внедряется в фармацевтику, и сегодня лишь несколько компаний занимаются трехмерной печатью лекарств.

Преимущества и перспективы 3D-печати в фармацевтике

Преимущества

• Кастомизация и персонализация. Технологии 3D-печати позволяют адаптировать лекарственные формы, профили выпуска и дозировку для каждого пациента. Например, маленьким пациентам можно напечатать таблетку в виде какого-нибудь милого животного любого цвета (рис. 7).
• Повышение эффективности затрат. Трехмерная печать позволит снизить производственные затраты за счет уменьшения использования ненужных ресурсов. Некоторые лекарственные препараты могут быть напечатаны в тех формах, которые легко и удобно можно доставить пациенту (рис. 8).
• Демократизация. Еще одной особенностью 3D-печати является демократизация проектирования и производства продукции. Так как эффективность затрат при трехмерной печати повышается, значит и продукция становится на порядок дешевле. [6]

Перспективы

В далеком будущем, возможно, если 3D-печать будет развиваться, каждый сможет напечатать препарат у себя дома. Пока что об этом можно только мечтать. Но в ближайшем будущем, как предполагают исследователи, лекарственные препараты можно будет печатать в аптеках и стационарах.

Сможет ли 3D-печать лекарств заменить традиционные технологии производства лекарственных препаратов? Нет — для этого потребуются огромные инвестиции, обученные сотрудники и ряд других вещей. Да и крупные фармкомпании могут препятствовать проникновению 3D-печати в аптеки и больницы. 3D-печать вряд ли приживется на крупных предприятиях, так как 3D-принтеры печатают намного медленнее, чем это делают станки на фармпроизводстве. Еще одним существенным барьером, который может препятствовать широкому применению 3D-печати в фармацевтике, является долгое и финансозатратное получение разрешений от служб контроля за качеством медикаментов. Кроме того, производственные регламенты и государственные правовые требования также препятствуют распространению 3D-печати лекарств [6].

Направление 3D-печати в фармацевтике молодое, и оно еще развивается. Думаю, что трехмерная печать не сможет захватить фармрынок, так как Большая фарма не собирается сдавать позиции. И как уже говорили, в мире существуют только две компании, нацеленные на развитие трехмерной печати лекарств — это американская компания Aprecia Pharmaceuticals и британская компания FabRx.

Заключение

3D-печать стала полезным и преобразующим инструментом в ряде различных областей, включая фармацевтику. Исследователи продолжают совершенствовать существующие технологии 3D-печати. Медицинские и фармацевтические достижения с помощью 3D-печати уже сейчас являются серьезными и увлекательными, но для того, чтобы каждый человек смог, придя в аптеку, распечатать себе препарат, потребуются время и деньги.

Литература

1. Органы из лаборатории;
2. Искусственные органы и тканевая инженерия;
3. Witold Jamróz, Joanna Szafraniec, Mateusz Kurek, Renata Jachowicz. (2018). 3D Printing in Pharmaceutical and Medical Applications – Recent Achievements and Challenges. Pharm Res. 35;
4. MurtazaM Tambuwala, NitinB Charbe, PaulA McCarron, MajellaE Lane. (2017). Application of three-dimensional printing for colon targeted drug delivery systems. Int J Pharma Investig. 7, 47;
5. Abdul W. Basit, Simon Gaisford 3D Printing of Pharmaceuticals — Springer International Publishing, 2018;
6. Ventola C.L. (2014). Medical applications for 3D printing: current and projected uses. P. T. 39, 704–711.