熔融沉积3D打印技术制备地高辛分剂量片的研究

周永恒，林威，周文志，杨帆，3

(1.广州市增城区人民医院，广东 广州 511300； 2.广东药科大学新药研发中心/广东省局部精准药物递药制剂工程技术研究中心，广东 广州 510006； 3.广东药科大学新药研发中心/广东省药物新剂型重点实验室，广东 广州 510006)

儿童用药适宜剂型及规格的缺乏为全球性问题，将成人药品调剂成小剂量使用是临床应用较为广泛的解决办法[1]。医院药品分剂量的方法主要采用分劈、磨粉、固体制剂液体化等方法，但剂量不准确，潜在用药安全隐患[2-6]。3D打印技术依据“逐层打印，层层叠加”的原理，在计算机的控制下，可快速而精确地制造具有特殊外型或复杂内部结构的物体[7]。2015年，第1个3D打印药物(左乙拉西坦速溶片)正式上市[8]。

地高辛片是用于治疗各种急性和慢性心功能不全以及室上性心动过速、心房颤动和扑动等症状的强心苷，其安全范围窄，个体差异大[9]，中毒量仅为有效量的1.5～2倍。对于肝肾功能发育不全的儿童，个体化分剂量给药极为重要。市售地高辛片为0.25 mg，但我院临床常用的剂量有0.01、0.012、0.015、0.025、0.041、0.064、0.070 mg。本研究利用熔融沉积3D打印技术制备0.041、0.070 mg低剂量的地高辛分剂量片，为临床提供一种新的调剂思路。

1 仪器与试剂

1200高效液相色谱仪(美国Agilent公司)，色谱柱为ZORBAX SB-C18(5 μm，4.6 mm×150 mm)；FSE2巧克力食品3D打印机(昆山博力迈三维打印科技有限公司)；A11粉碎机(德国IKA公司)；YPD-200C片剂硬度测定仪与LB-2D崩解时限测定仪(上海黄海药检仪器有限公司)；EL204-2C电子分析天平(瑞士梅特勒公司)。

地高辛片(0.25 mg，上海信谊药业公司，批号：020160805)；地高辛对照品(98.8%，中国食品药品检定研究院，批号：100015-200709)；聚乙二醇4000(药用级，德国Sasol公司)；聚乙二醇6000(药用级，广州南方化玻公司分装)；泊洛沙姆188(医药级，德国BASF公司)；泊洛沙姆407(医药级，德国BASF公司)；硬脂酸镁(食品级，郑州康本生物科技有限公司)；无水乙醇(分析纯，广州化学试剂厂)；乙腈(色谱纯，德国MERCK公司)。

2 方法与结果

2.1 熔融沉积3D打印片药用辅料的处方研究

熔融沉积(FDM)3D打印是将打印材料置于3D打印机中熔融，然后按计算机预设路径挤出成型的工艺，为此选择60 ℃以下的低熔点药用辅料聚乙二醇4000、泊洛沙姆188、泊洛沙姆407，分别取一定量单一药用辅料粉末加入5%硬脂酸镁混匀制成打印基质处方1～3。在预实验基础上按1∶4、1∶5(质量比，下同)分别取泊洛沙姆407、PEG4000混匀的药用辅料，加入5%硬脂酸镁制成处方4～5，按1∶3、1∶4、1∶5、1∶6(质量比，下同)分别取泊洛沙姆188、PEG4000混匀的药用辅料，加入5%硬脂酸镁制成处方6～9(见表1)。其中硬脂酸镁是为了增强材料粉体流动性便于连续供料，采用FDM 3D打印技术熔融挤出，打印圆柱形片剂(r=5 mm、h=4 mm)，根据可打印性、室温成型性、片剂硬度、崩解时限，筛选出最佳处方。

表1 熔融沉积3D打印片药用辅料的处方筛选
Table1Prescription screening of medicinal excipients for fused deposition 3D printed tablets

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表1中9个处方的3D打印片的外观见图1。由图1a-c可见，3种单辅料打印基质均能快速固化成型，PEG4000出丝较细，表面可见明显螺纹，部分片剂会出现打印断丝造成空打，片心成凹陷状。泊洛沙姆188与泊洛沙姆407外表滑腻均匀，但均有裂片现象，其中泊洛沙姆407黏性过大，导致挤出量难以控制，片心呈隆起状。

a～i. 分别对应表1中的处方1～9。

图1熔融沉积3D打印不同药用辅料的片剂外观

Figure13D printed tablet appearance of different pharmaceutical excipients by fused deposition

为了研究基质混合联用的打印效果，在前期实验中，笔者配制了泊洛沙姆407与PEG4000 1∶1、1∶2、1∶3(质量比，下同)处方，浆料过于黏稠且崩解时间超过15 min。而且泊洛沙姆407比例低于1∶5，会发生出丝过细，导致打印缺失的现象。由图1d-e可见，泊洛沙姆407与PEG4000按 1∶4或1∶5混合时，可打印性差，片剂表面粗糙，说明泊洛沙姆407与PEG4000混合打印效果难以控制。

由图1f-i可见，泊洛沙姆188与PEG4000在1∶4及1∶5时打印效果最佳，浆料挤出均匀细腻，所成片剂完整美观，外表光滑，平均崩解时间分别为8.5、8.2 min，平均硬度分别为24.16、19.34 N。综合考虑，选择泊洛沙姆188与PEG4000质量比1∶4为最佳处方基质(处方7)，即3D打印地高辛分剂量片的最佳处方为PEG4000∶泊洛沙姆188∶地高辛∶硬脂酸镁=71.57∶17.89∶5.54∶5.00(质量比)。

打印粉末的制备：精确称量处方7基质粉末置于蒸发皿，水浴加热搅拌成熔融状，加入已过120目筛的地高辛片粉末，搅拌至完全混匀，放冷固化后再用粉碎机粉碎，加入质量分数5%的硬脂酸镁，混合均匀，制成含药2的打印粉末，备用。

2.2 3D打印地高辛分剂量片的计算机模型设计

选择实心圆柱体片作为打印形状，经测定打印物料的密度为1.1641 g/mL，根据地高辛分剂量片的剂量和物料中药物的含量，计算出打印片的体积，选择适当的r/h，最终确定剂量0.070 mg的圆柱体片模型为r=4.8 mm、h=4 mm，剂量0.041 mg的r=4 mm、h=3.2 mm。由计算机软件magics建立模型，切片软件Repetier-Host进行切片，对打印参数进行相应设置，生成Gcode 格式文件，导入3D打印机进行打印。

2.3 3D打印地高辛分剂量片的制备

将制备好的打印粉末倒入3D打印机漏斗中，于导料板两边均匀分布，将盖板盖好。将提前生成的3D打印机可识别的Gcode文件转入闪存卡(Trans-flash，TF)中，插入机器，待熔融的物料正常挤出后即可打印。在打印前期以打印效果为指标试验打印参数，最终确定打印参数：喷嘴口径0.8 mm，打印层高0.8 mm，打印速度15 mm/s，填充密度100%，打印温度56 ℃，在此参数下浆料挤出均匀、成型快速、外观规整。

2个剂量的地高辛打印片均为白色圆柱状片剂，表面完整光洁、色泽均匀、边缘整齐(见图2)。

a. 0.041 mg剂量; b. 0.070 mg剂量。

图23D打印的地高辛分剂量片

Figure2Digoxin divided dose tablets Prepared by 3D Printing Technology

2.4 3D打印地高辛分剂量片的理化性质

2.4.1 片剂的直径与高度 从2组3D打印地高辛分剂量片中分别随机选取10片，用游标卡尺测量片的直径与高，结果见表2。可见，2种规格地高辛分剂量的实际打印体积较计算机模型设计的体积略有扩大，但误差均在可接受范围内，这可能是由于打印材料在FDM打印机熔融室内存在挤压应力，从打印喷嘴挤出后释放应力导致丝径变粗，最终使所成片剂实际体积有溢出。

2.4.2 片重差异 从2组3D打印地高辛分剂量片中分别随机选取20片，精密称定每片重量，计算平均片重，结果见表2。可见，规格0.041 mg和0.070 mg的3D打印地高辛片的片重差异分别为(0.213 8±0.017 0)g和(0.358 7±0.034 0)g，符合2015年版《中国药典》正负5%的要求。

2.4.3 硬度 从2组3D打印地高辛分剂量片中分别随机选取6片，采用硬度仪进行测定，结果见表2。可见，规格0.041 mg与0.070 mg的3D打印地高辛片的平均硬度分别为(26.17±2.38)N、(55.47±4.32)N，可满足临床药物转移运输要求。质量大、体积大的药片硬度更高，提示可通过增加体积来加大硬度。

2.4.4 脆碎度 从2组3D打印地高辛分剂量片中分别随机选取数片(使其质量为6.5 g)，精密称定质量后，放入脆碎度仪中，以25 r/min转动4 min，拿出片剂，吹去表面粉末，再次称定质量，计算丢失的质量百分比，结果见表2。可见，2组打印片脆碎度均为0，提示3D打印片抗震耐磨能力较佳。

2.4.5 崩解时限 从2组3D打印地高辛分剂量片中分别随机选取6片测其崩解时限，根据2015年版《中国药典》四部通则0921规定的方法，每片须在15 min内完全崩解，结果见表2。可见，规格0.041 mg与0.070 mg的3D打印地高辛片的平均崩解时间分别为(9.8±1.1)min和(13.5±0.6)min，符合2015年版《中国药典》小于15 min的要求。

药片规格/mgd/mmh/mmm/g硬度/N脆碎度/%崩解时限/min0.0418.94±0.023.37±0.010.213 8±0.017 026.17±2.3809.8±1.10.07010.41±0.034.28±0.010.392 6±0.034 055.47±4.32013.5±0.6

注： 0.04 1 mg模型为d=8 mm、h=3.2 mm; 0.07 mg模型为d=9.6 mm,h=4 mm。

2.5 3D打印地高辛分剂量片的含量与含量均匀度

按照2015年版《中国药典》地高辛片的含量测定方法：分别随机选取2组3D打印地高辛片20片，精密称定，研细，精密称取适量(约相当于地髙辛0.041、0.070 mg)，置25 mL量瓶中，加稀乙醇适量，超声约30 min使地高辛溶解，放冷，加稀乙醇稀释至刻度，摇匀，0.22 μm滤膜滤过，取续滤液作为供试品溶液，精密量取20 μL，注入液相色谱仪，记录色谱图；另取地高辛对照品，同法测定。按外标法以峰面积计算地高辛剂量。结果显示，0.041、0.070 mg规格的3D打印地高辛片的质量分数分别为(100.00±2.44)%和(98.59±2.86)%，符合2015年版《中国药典》95%～105%的要求。

2.6 3D打印地高辛分剂量片的溶出度

按照2015年版《中国药典》四部通则0931溶出度与释放度测定法(第三法)，随机取本品6片，以水250 mL为溶出介质，转速100 r/min，依法操作，60 min时取溶出液用0.22 μm滤膜滤过，取续滤液作为供试品溶液，测定地高辛的含量并计算每片的溶出量。结果显示，0.041 mg和0.070 mg 3D打印地高辛分剂量片60 min的释放率分别为(99.7±0.8)%和(98.1±1.3)%，符合2015年版《中国药典》65%的溶出限规定要求。提示该3D打印处方及制备工艺可达到难溶性药物在介质中的释放需求。

3 讨论

3.1 3D打印地高辛分剂量片的处方可打印性

熔融沉积3D打印制药技术，打印处方中基质的种类、比例是打印片质量的直接决定因素。与传统制药技术不同，熔融沉积3D打印药物粉末无需考虑粉末可压性，但打印材料粉体的流动性(进料是否顺畅)、黏弹性(挤出是否顺畅)与室温成型性等决定了制剂的可打印性，也由此决定了片剂硬度、崩解、溶出等关键性能。

打印材料粉体的流动性低，粉末无法从进料口由螺杆顺利带动至热熔室，打印材料供应不足造成空打，此问题可通过加入润滑剂(如5%质量分数的硬脂酸镁)解决。在研究过程中发现，打印物料粉末粒径大小也会影响打印，粒径越小的打印粉末，发生螺杆运转卡壳几率越高。这是由于粉末粒径越小，相同质量下内表面积越大，粉末流动时摩擦力越大，更容易造成螺杆卡壳。

打印材料的黏弹性影响打印粉末熔融后能否顺利挤出。打印粉末在熔融流动、冷却固化过程中会分别表现出液体和固体的性质，即表现出黏性和弹性。若材料黏性过低，打印中会出现无法拉丝、打印材料彼此无法聚集成型的现象。黏性过高，打印中难以挤出，出丝较细。当材料弹性过高时，打印区域范围会大大超过正常设定打印范围，打印材料在熔融室内存在挤压应力，从打印喷嘴挤出后释放应力导致出丝变粗，打印模型偏大，甚至材料由应力向喷嘴侧方、上方挤出，造成无法着床打印。因此，打印处方宜选择黏性较高、弹性较低的打印材料。

3.2 打印工艺参数对打印片质量的影响

在研究过程中发现，除打印基质直接影响打印片的质量外，打印参数(如打印温度、打印速度、喷嘴与平台的距离等)的设置也会影响打印片的机械性质及释药特性。

打印温度影响材料的黏弹性，温度过高，熔融材料黏性降低，会导致出料增多，流动性增加，药片内部无3D打印独有的梯状叠加缝隙，导致片剂硬度较高，崩解时间更长，同时导致实际打印面积会溢出打印模型。本研究依次考察了53～59 ℃打印温度，最终在56 ℃时打印出丝均匀，正常挤出丝宽与喷嘴口径一致。

打印速度一方面决定药片制备效率，一方面影响打印效果。打印速度过快，供料跟不上喷嘴移动速度，物料会出现出丝不连续，丝径变细的现象。所成片剂表面及内部会拉大正常的梯状叠加缝隙，导致成片硬度降低，崩解加快。打印速度过慢则材料挤出过多导致模型溢出，并且打印效率低下。综合选择后，选取15 mm/s作为最终打印速度。

此外，打印喷嘴的选用、喷嘴与平台的距离、层高的设置等，均会对打印片质量、硬度及崩解造成影响。当前市售的打印喷嘴有0.2、0.4、0.6、0.8 mm几种规格，越低口径的喷嘴对打印浆料的可打印性要求越高，打印效果越精细，但打印效率也越低。本研究选取打印效率最高的0.8 mm喷嘴，以打印实际丝宽0.8 mm设置为层厚，最终取得较佳的打印效果。

3.3 小结

未来医疗的发展方向一定是基于基因组学、蛋白质组学的个体化医疗，如何对不同患者进行个体化给药是每一位药师需要面临的问题。通过处方筛选、打印参数设置，采用熔融沉积3D打印技术可制备合格的个性化剂量药片，可实现根据患者体重、体表面积、血压等生理指标进行个性化给药，达到更好的治疗效果。3D打印制药为特殊患者尤其是儿童分剂量用药提供了一种解决方案。