CN108601727B - 一种快速打印微针贴剂的方法 - Google Patents

Abstract

一个可以实现微针快速3D打印的方法。这一3D打印方法包含多个微孔的打印喷嘴和微针支撑膜(膜)置于其上的冷板/平台。微针生成材料的溶液或其水溶液以喷嘴的程序化的注射速率及喷嘴的提升速度被打印在冷冻的微针支撑膜上。注射速率和提升速度之间的关系决定了微针针体的形状。在冷冻的膜上打印好的微针有两种干燥方式：在接近冰点的温度直接干燥，或者经冷冻解冻处理之后干燥。

Description

一种快速打印微针贴剂的方法

交叉参考信息与相关申请

本申请要求于2016年2月15日提交的美国序列号为62/295,166的发明专利的优先权，其中的内容将作为参考旁证纳入本申请。

技术领域

本发明描述了一种不采用模具而快速生产微针点阵或贴剂的工艺，其可以称作3D打印、积聚、或堆积。这一新工艺将实质性地改善微针或微针贴剂的质量和生产效率。

背景技术

蛋白与多肽药物的非注射给药一直是药物开发中尚待实现的一项目标。以糖尿病为例，为了避免终生的频繁注射，本领域科学家付出了超过半个世纪的研发努力，考察了各种非注射方法，包含吸入、口服、鼻喷、无针注射、以及透皮递送系统。然而，蛋白和多肽药物的非注射给药须跨过我们身体天然的生物屏障，仍是一项艰巨的任务。

微针，即长度为数百微米的针的点阵，为透皮给药途径提供了一个有前景的解决方案。这些微小的针可以穿透最不具渗透性的皮肤层(角质层或表皮层)，营造出非脂溶性分子的扩散通道，同时不产生皮肤损伤和痛感。迄今为止，四种可供使用的微针为：实心微针、空心微针、可溶性聚合物微针、以及可溶胀的(溶胀释药)聚合物微针。这四种微针中，只有溶胀型微针适合需要频繁给药的蛋白多肽药物的高效透皮给药。实心微针缺乏载药容量，又没有药物扩散通道。尽管作为变通的方法，药物可以涂层在微针的表面，但是载药容量很低(每根针约载药300纳克)，特别是在表面的吸附常常导致蛋白变性。空心微针由金属蒸汽在模具上沉积或其他方法制备，其机械强度和制作效率不高，并且容易堵塞。为防止扩散通道的堵塞，空心微针的使用需要精致的微注射装置。采用常规的注射器向药物递送的真皮层注射注射液体，药液将溢出来。可溶性聚合物微针多用于疫苗递送的研究——一种治疗试剂一年只需有限的给药次数。对于一天需要数次的胰岛素的透皮给药，可溶性聚合物微针会将针体物质沉积于皮层，而不再合适。即便是给药频率很低的疫苗，可溶性聚合物微针还遇到了许多其他的技术挑战，比如机械强度的不足、灭菌的困难、以及低效的量产。

溶胀型微针是干燥时足够坚硬和强韧，以刺透表皮，但是吸收了真皮层的体液后转化为溶胀的水凝胶态的微针。溶胀型微针针体的水合作用使得预先担载于其中的蛋白或多肽药物跨过表皮释放出来，达到真皮层。由于溶胀的微针仍然足够强韧，可从皮肤上完全揭下来，使得聚合物的沉积不再是个问题。我们将这种可溶胀型微针命名为“相转化微针”，并在后文中使用该术语代替“溶胀型微针”。相转化微针的另一优点是便于灭菌。由于细菌或病毒颗粒的直径大于蛋白几个数量级，不能从微针基质溶胀的网状结构中释放出来，其灭菌可以通过对其表面进行环氧乙烷处理来实现。这一特点的好处在于产品的灭菌不再需要整个生产线的无菌化，仅作为包装的一个步骤就行了。

迄今为止，相转化微针运用模具浇注法制备。这一模具浇注法包含将形成微针的聚合物水溶液浇注于带有微孔点针的模具，对浇注的聚合物溶液进行冷冻解冻处理，微针膜(微针立于其上)的脱模，以及干燥微针膜。模具浇注法伴随着一些局限，包含1)相当量的活性成份留在背衬膜上而不能被释放到真皮层体液；2)不能够将目标成份担载于微针针体特定的一段；更重要的是3)由于微针占背衬膜总面积的约10％，残留在背衬膜上的活性成份相当可观，而且分布不均匀，从而造成微针贴剂片与片之间不可接受的差异。

为了实际可行的质量和效率生产微针贴剂，微针贴剂必须载有相同的药物剂量，而且沿着微针针体保持同样的分布。更好的是，活性成份沿着微针针体按照设计的方式分布。这样一个按照微针针体的段落担载药物的目标对于模具浇注法来说是极其困难的。于是，一个不再需要模具和模具浇注过程的新的制备方法成为必要。称作“3D打印”的方法及其变通叫法，如累积或堆积，也许可行。

3D打印或其变种中不可或缺的步骤是如何将打印流体在每一个打印点一经离开打印喷嘴便立即固化的方式。在打印聚合物微针的场合，迄今为止有着三个机制：单体溶液的快速聚合，聚合物溶液的快速交联，以及热熔态的聚合物的快速冷凝。所有这些方法都须要将药物暴露于苛刻的环境，如化学反应或高温，以及不可行的，强烈的光线。这些条件对于生物治疗物质来说是很不利而应加以避免的。

另一项微针3D打印靠一滴一滴的堆积实现[美国专利8192787]。其中，第一滴生成微针的聚合物溶液被注射到一个平板上，等其干燥片刻稍微固化，然后，第二滴、第三滴、第四滴、第五滴、第六滴依次滴在前一滴的上面。这一3D打印方法不仅极其低效，而且只能得到类似于甜甜圈串那样的针形。

对于生物活性物质的透皮给药，流体到固体的快速转化必须在温和的条件下实现。作为一项实际可行的微针贴剂生产方法，3D打印工艺必须高效、对生物分子友好、以及可随心所欲地塑造微针针形。本发明所涉及的正是这样一种3D打印工艺。

发明内容

本发明涉及一种将形成微针的聚合物水溶液打印、注射、累积、或日堆积在微针支持膜上的方式生产微针的方法。本发明中打印(或累积)聚合物微针的关键机制在于：1)快速冷冻形成微针的聚合物溶液；以及2)多根针同时打印。一旦打印的微针生成聚合物溶液冻结，其在室温下也不再融化，而是变为水凝胶状态。所采用的微针生成聚合物溶液中含有这样的成份，其在冷冻解冻处理时生成微晶域(或纳米晶域)。支撑微针的板(或膜)的制备采用同样的可生成或含有可生成微晶域的聚合物材料，担载于一个冷却的样品槽保持在冷冻的状态。这样一个操作包括其不同的表述方式在本发明中一律称之为3D打印。(美国序列号62/295,166)

以上提及的方法中采用一个注射泵来打印、累积、或堆积，意即3D打印微针生成材料的溶液。其中的注射泵装有一个单孔或多孔点阵排列的喷头。这个打印喷头或打印多针的喷头点阵应置于与冷冻的微针支撑板足够近的距离，一般为0.1mm到0.9mm，开始打印或注射微针生成聚合物的溶液。喷头点阵的一个选项是多个微孔排列成点阵的一个平板打印喷头。

在打印、注射、累积、或堆积过程中，注射/打印的速率应被程序化，并与喷头或多微孔喷头的从冷冻的微针支撑膜向上提升的速率相配合。微针的针形可通过调控打印或注射速率与喷嘴或喷嘴点阵(或日多微孔喷头)的提升速度来实现。打印速率与提升速度的关系决定了微针针形。这些关系可通过特定的数学方程式或日喷嘴或喷嘴点阵运行的控制模型来表达和把控。比如，根据这些方程式，微针可被打印成正圆锥形、增胖的圆锥形、或结合两者的细腰大头锥形。所打印或注射的微针的长度可通过喷嘴或喷嘴点阵至终止注射时的行程距离来决定。

这一冷冻辅助的单点或多点3D打印可包括两到三个阶段，其中每个阶段可有各自的微针生成材料的组成。以两阶段3D打印为例，两个不同的聚合物溶液将被分别置于两个注射泵。两个装载物料的注射泵垂直安放，使得第二个打印的注射泵的多孔喷头的每一个孔对准第一个打印注射泵的喷头的每一个相应的打印点。当第一个注射泵将聚合物溶液1打印成设计长度的微针点阵后，样品槽携带背衬膜在低于-1℃的冷面上滑动至第二个注射泵。然后，聚合物溶液2被打印在第一个注射泵打印的每一个相应微针的上方。

这样的两次或三次打印可有一系列好处。例如，只有微针针体的前半部分接触到有着细胞间质体液的真皮层。两次打印可以使活性成份只担载于微针的前半部分，而使微针的底座部分不含药，从而改善生物利用度。在美容的应用上，如果整个微针由透明质酸(HA)构成，聚合物材料将沉积于穿透表皮层的微孔中，使得微孔关闭的时间延长。采取两次打印时，微针的底座部分和前半部分可先后用PVA和HA打印，再经上面提到的冷冻解冻处理。于是，微针与表皮层接触的部分由不溶解的微晶交联的PVA构成，从而可在HA构成的前半部分溶解后，从皮层完全移去。

两次或三次打印的缺点在于生产工艺会相应地复杂化。

这一微针快速打印方法还包括干燥工艺，衔接于冷冻辅助的快速打印之后。该工艺的一个特点是其可以衔接于冷冻解冻处理，也可以衔接于打印刚结束的时候。为了避免在室温下溶解，冷冻微针的聚合物基质必须交联。交联的实现不能通过化学反应，以避免将药物，特别是生物药，暴露于化学反应的有害物。冷冻解冻处理可诱导一些水溶性聚合物，例如聚乙烯醇(PVA)在水合状态生成微晶域(或纳晶域)。这些微晶域起到了将聚合物链交联起来的交联点的作用。于是，基质交联的冷冻微针在室温下不再融化，从而可通过水份挥发进行干燥。

有些亲水性聚合物，如许多多糖，不会通过温度变化在其水合基质中生成足够的微晶域或纳晶域。因此，冷冻解冻处理不能导致这些聚合物链段之间的交联，从而由这些聚合物构成的冷冻微针在低温下保持形状，在室温下融化。对于这样的聚合物打印出来的微针，干燥必须在低于冷冻微针溶解或融化的温度下进行。干燥温度的选择还应足够高，以确保冷冻微针解冻。粘稠的大分子量聚合物存在着一个很窄的温度区间，在其中解冻状态的微针仍然能够保持形状，而其干燥过程应在这样的温度区间进行。作为这一温度区间的合理范围，-5℃至5℃，最好是-2℃至2℃。微针生成聚合物溶液的浓度可使水的冰点降低到足够的程度，而聚合物溶液的粘度又足以使之在冰点之上保持固态。

在背衬膜上打印出的微针的干燥过程须进行导向，以避免其在X-Y平面上不均匀收缩导致卷曲。实现这一目标需要用一个框子夹住背衬膜防止卷曲，与此同时规范其在X-Y平面上的收缩程度。

附图说明

图1.微针点阵快速3D打印(或累积)过程和装置的示意图

图2.针形及相应的控制微针打印的数学模型。其中，常数“b”需由具体的针形设计和实验确定。所给出的数学公式为许多变化中的一个例子，不应被用来限定本发明的权利要求。

图3.运用不同的打印参数，快速3D打印制作的微针点阵的相应的不同针形。

发明详述

微针生成材料的选择

选择微针生成聚合物是采用冷冻机制将聚合物溶液从液体变为固体的第一步。微针生成材料的一个重要的要求是这一水溶性聚合物溶液制备成冷冻微针后在室温下不得融化。为保证这样的性质，应选择可通过冷冻解冻处理形成微米或亚微米的晶域的亲水性聚合物。微米或亚微米的晶域作为交联点，可保证冷冻成形的微针在室温下处于水凝胶状态。乙酸酯键的水解度为90％以上的聚乙烯醇是这类聚合物的一个例子。支撑板的材料最好但不必与打印微针的材料相同或具有相似的组成。

一些应用中，微针生成材料需要被输送到真皮层。在这些场合应使用水溶性的微针生成材料，如透明质酸(HA)或羧甲基纤维素(CMC)。为了防止这些材料构成的微针在干燥过程中溶解或融化，温度须设置足够低，例如保持在-5℃至5℃或-2℃至2℃的范围内。

总之，所有水溶性聚合物或非聚合物药用辅料均可用于微针生成材料，实现本发明所示的微针3D打印。可用的微针生成材料包含聚乙烯醇、多糖、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、或其他可用于药用辅料的亲水性材料。上面提到的多糖包含聚电解质及其盐，如羧甲基纤维素、透明质酸、海藻酸盐、壳聚糖、以及不带电荷的聚合物，如葡聚糖、淀粉、和纤维素。

微针生成材料中可添加一种或多种生物活性或治疗活性成份。这些生物或治疗活性成份可以是蛋白、多肽、核酸、抗体、疫苗、和纳米颗粒。其中蛋白和多肽可包含胰岛素、GLP-1受体激动剂、降钙素、甲状旁腺激素(PTH)、艾塞那肽或GLP-1受体激动剂的其他多肽、以及其他常用的蛋白和多肽药物。

多点同时打印

典型的3D打印靠单一喷嘴在平面上扫描，按照程序注射打印材料来实现。这样的3D打印模式不能满足微针贴剂高效生产的需要。对于微针贴剂，由于微针整齐地排列成点阵，或者说每个微针的相对位置是固定的，程序扫描不再必要。相反，微针贴剂的实际可行的生产需要效率很高的3D打印。这一目标可以通过将一个贴剂上的所有微针同时打印在其在点阵上的各自的位置上。

如图1中的示意描述所示，实现多点同时3D打印的机械装置仅由两个部件构成，垂直安装的注射泵100和一个冷板101用以承载和背衬膜上冷冻成形的微针点阵104。注射泵101上装载有着数十或数百排列成点阵的微孔的喷头102。微孔在形状、直径、表面形态上的一致性，以及在同一平面上的排列精度保证打印出的微针具有同样形状和长度。

背衬膜103担载于金属或其他导热好的材料制作的样品槽105上，其与命名为冷平台101的冷板接触，通过滑动使其微针点阵的位置对准注射泵的喷头。一旦冷冻成形的微针点阵104打印出来，样品槽可滑动将打印下一个微针点阵的位置对准打印机的喷头。当该样品槽上背衬膜的所有可打印的位点打印完成后，背衬膜和样品槽将转移到干燥程序。

微针点阵的顺序打印

微针的顺序打印使用大体相同的系统(图1)，只不过两到三个注射泵排成一列使用。如两步顺序打印时，第一个泵打印微针的底座段，第二个泵在第一个泵打印的底座段之上打印微针的上段。样品槽可用来对准泵1和泵2依次打印时的位置。三步打印时可增加一步同样的操作。

影响微针针形的因素

本发明所称的“微针3D打印”与大多数3D打印在机制上不一定相同。由于一个微针贴剂上的针体排列在点阵的固定位置上，如果将所有微针的位置同时对准相应的喷嘴孔的位置，打印喷嘴没必要在X-Y平面上扫描。因此，微针生产中，打印喷嘴或打印喷嘴点阵(或具有多个微孔的打印喷头)只需在一维方向上运动。打印喷嘴向下移动接近打印表面后，一边注射微针生成材料一边上提。设计的微针针形通过喷嘴提升和微针生成材料的注射(打印)的相对快慢实现。例如，喷嘴提升慢，聚合物注射快将导致粗微针，反过来亦然。固定喷嘴提升速度，动态地调整聚合物溶液的注射速率可导致设计的微针形状。这一过程也可以作为过程控制数学模型的相应的方程式表示。图2显示了三个控制方程及相应的针形。

图2给出的数学公式不过是一些例子。本发明揭示的快速3D打印具有普适性，允许用多种方法制作微针针形，无论有或没有数学表述。有时，不可计算的试错方法可能更高效地实现满意的针形。

微针点阵立于其上的背衬膜的温度也是决定微针形状的关键因素。打印冷板的温度设定在-15℃至-3℃之间，最好在-9℃至-5℃之间。打印冷板的温度波动应在5℃之内，更理想的是在2℃之内。这样的温度范围可通过制冷液在热交换部件的循环实现，该部件可贴附半导体制冷元件。

打印后处理

打印的微针的特性的提高，如强度、溶胀率、微针梭担载的活性成份的释放动力学，均必要或最好进行后处理。打印后的处理包含冷冻解冻或重复冷冻解冻、干燥、冲压为恰好的尺寸、以及包装。

在用到水溶性聚合物的场合，冷冻解冻处理不再合适。此时，干燥过程的温度应很好地控制在一个窗口之内，使打印的微针从冻结状态升温，却保持站立的刚度。微针生成聚合物的溶液的浓度和粘度可使打印出来的微针在冻结温度之上保持站立。这一温度窗口应在-5℃至5℃之间，最好选择在-2℃至2℃之间。

快速3D打印法生产微针贴剂的装置

运用快速3D打印生产微针贴剂的系统包括一些必不可少的部分，其含有有着多个微孔喷头的精密注射泵、装载样品槽并定位微针背衬膜并对准打印喷嘴的冷板、以及湿度与温度可控的干燥单元。注射泵的运动包括泵体从背衬膜的提升及微针生成材料的程序速率注射。样品槽的滑动将背衬膜定位于打印喷嘴的过程可以是手动的或者自动的，后者更受大规模生产的欢迎。3D打印的区域可置于隔离厨中，其内部的湿度应保持在30％以下，以避免水分在打印微针的背衬膜上冷凝。

干燥单元应有足够的容量接受载于背衬膜上的微针贴剂，保持在相对湿度低于60％的干燥条件下，并且具有调节温度的功能，使得冷冻解冻处理，以及基质交联的和未交联的微针的干燥能够实施。冷冻解冻处理的温度在-25℃至5℃之间变化，干燥温度维持在-5℃至5℃之间，以-2℃至2℃之间为最佳选择。实现所提议的冷冻为基础的微针打印工艺需要一个带有冷槽的装置106(图1)。这一装置，以及未来的生产线，应包括一个维持聚合物溶液冷冻温度的冷槽、一个可数控程序注射聚合物溶液的注射泵、一个精准设计的注射喷嘴或喷嘴点阵、一个数控注射器提升的单元、以及一个担载并定位微针点阵支撑膜的贴剂样品槽。图1示意地描述了这样一个装置。贴剂样品槽105将在生产线上传送。

一种夹具将用来规范微针背衬膜的干燥过程，以防止背衬膜卷曲。夹具夹住膜的没有微针的边沿。这一夹具应提供足够的力夹住膜以避免卷曲，又足够灵活，允许膜在X-Y平面上收缩。夹具还应具有阻止边棱，以将膜的收缩规范在设计的尺度。

实施例

下面的实施例便于理解的描述，以帮助熟悉一般知识和方法的技术人员更好地理解本发明。这些实施例不应用来限定本发明及其应用的范围。

实施例1.通过打印过程确定微针针形

含有作为主要成份的聚乙烯醇(PVA)、多糖、及胰岛素的溶液107添加于图1所示的注射泵100，打印在PVA构成的冷冻的背衬膜103上。通过变换注射速率和泵的提升速度，各种针形的微针贴剂被打印出来。打印一片带有199根微针点阵的贴剂需50秒。图3显示了刚打印好的三种典型针形微针贴剂。这三种典型的微针分别对应于图2显示的正圆锥310、胖圆锥303、和细腰大头锥303。这一结果说明设计的微针针形可以通过变换打印使的输入参数来实现，而不需要任何硬件的改动。

实施例2.打印不含PVA的透明质酸微针

一个不含PVA(可形成微晶域交联的聚合物)的透明质酸(HA)溶液被添加于注射泵，打印在冷冻的PVA背衬膜上。这些HA微针很好地站立于PVA背衬膜上而不脱落，说明HA微针能够很好地附着于PVA背衬膜。

实施例3.干燥打印好的微针贴剂

一个包括-20℃、-1℃、1℃三个温度区间的干燥系统被用于打印的微针贴剂的干燥。首先，将刚打印好的每片载有六个微针点阵的微针膜与其样品槽一道置于区间，隔夜放置(至少2小时)使之深度冻结。然后，将这一微针膜转移到湿度低于40％的-1℃区间。进行4～6个小时的初步干燥。解冻过程中，整个微针保持着固态，同时针尖已部分干燥。由于针尖已经相当干燥的微针不再会融化，微针膜从金属样品槽转移到聚四氟乙烯夹具，置于1℃的干燥区间，进一步隔夜干燥。最后，将这一微针膜连同聚四氟乙烯夹具从1℃区间转移到一个干燥器中，隔夜干燥。

作为实验室设置，实施例3的干燥时间设计不是最好且相当随意。对于规模化生产，可以通过在微针贴剂上循环干燥空气来促进干燥过程，并且可以缩短完全干燥所需的时间。

Claims (25)

1.一种快速打印微针贴剂的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)将微针生成材料的水溶液添加到注射泵中；

b)注射泵将微针生成材料的水溶液打印、注射、累积或堆积到冷冻的微针支撑膜或支撑板上，形成冷冻、站立的微针，其中所述的微针支撑膜或支撑板担载在一个金属或其他导热材料制作的样品槽上，所述的样品槽放置在一个冷冻平台上冷冻；

c)将步骤b)中形成的微针干燥，其中所述的微针干燥步骤采用对所形成微针进行冷冻解冻处理，使其内部发生微晶域交联，再进行干燥；或

不做冷冻解冻处理，而直接在-5℃至5℃之间的低温下干燥

来实现。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述的注射泵装有单个或多个微孔喷嘴。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述的多个微孔喷嘴的微孔呈点阵排列。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述的微针支撑膜或支撑板由与微针生成材料相同或相似的材料构成。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述的样品槽可以在冷冻平台上移动，以将打印部位对准注射泵的打印喷嘴。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述的冷冻解冻处理可实施一次，也可实施多次。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述的低温干燥的温度应控制在-2℃至2℃之间。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述的干燥过程包括使用夹具夹住所述支撑膜或支撑板，防止支撑膜或支撑板卷曲。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述微针生成材料选自聚乙烯醇、多糖、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、或其他药物学上可接受的亲水性材料。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述多糖包含电解质和他们的盐，以及不带电荷的聚合物。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述电解质和他们的盐选自羧甲基纤维素、透明质酸、海藻酸、甲壳素，所述不带电荷的聚合物选自葡聚糖、淀粉、和纤维素。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述微针生成材料载有至少一种生物活性或治疗活性成份。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述生物活性或治疗活性成份选自蛋白、多肽、核酸、疫苗、及纳米颗粒。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述蛋白和多肽包含胰岛素、GLP-1受体激动剂、降钙素和甲状旁腺激素(PTH)。

15.根据权利要求14所述的方法，所述GLP-1受体激动剂为艾塞那肽。

16.根据权利要求1所述的方法，所述的注射泵通过一个操作程序控制，该程序通过调节泵的注射速率和提升速度确定微针的形状。

17.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤b)包含两个阶段或两个以上的多个阶段，每个阶段使用不同的微针生成材料和不同的注射泵，依次在前一次打印的点阵之上进行，从而使微针针体的不同段落有所不同。

18.根据权利要求17所述的方法，其中分段打印的微针针体的前半段担载具有治疗活性或美容作用的成分，以提高生物利用度。

19.根据权利要求1所述的方法，其中所述冷平台的温度设定在-15℃至-3℃之间。

20.根据权利要求1所述的方法，其中所述冷平台的温度设定在-9℃至-5℃之间。

21.根据权利要求1所述的方法，其中所述冷平台的温度波动应在5℃之内。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述冷平台的温度波动应在2℃之内。

23.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤b)在隔离橱中进行，隔离橱内湿度由湿度控制系统调节。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述隔离橱内部的湿度应保持在30％以下。

25.根据权利要求1所述的方法，其中所述的样品槽可用以将打印成形的微针从打印装置转运至干燥装置。

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