CN111249257B - 3d打印药物缓释胶囊及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种3D打印药物缓释胶囊及其制备方法与应用。本发明提供的3D打印药物缓释胶囊，其特征在于，包括：基底；和胶囊主体，形成在基底上，内部设有至少两个具有不同外壁厚度的腔室，每个腔室内填充同种药物或者不同药物。由于该胶囊由基底和内部具有梯度壁厚结构的腔室胶囊主体组成，每个腔室结构具有不同的外壁厚，腔室内填充同种药物或者不同药物，因而可以随着胶囊的不同壁厚的溶解速度不同，来逐步控制药物释放，使得该药物缓释胶囊在服用/植入体内后，或按需置于所需环境中时，能在较长时间内持久、缓慢的释放药物，避免峰谷现象，使药物浓度长时间维持在有效浓度范围，提高药物的利用度，减少用药次数。

Description

3D打印药物缓释胶囊及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于生物材料和生物制造的技术领域，具体涉及3D打印药物缓释胶囊及其制备方法与应用。
技术背景
近年来，药物缓释剂型越来越受重视。相对于传统的普通制剂，缓释制剂优势显著，此类药物制剂具有维持平稳有效的药物浓度、延长药效、减少用药次数、降低毒副作用、减少用药总剂量等优点，越来越受到临床的重视。
药物缓释制剂是指在规定释放介质中，按要求缓慢地非恒速释放药物。缓释制剂具有以下特性：①缓释性：利用天然或合成材料制备的缓释制剂，分为骨架型(包括水凝胶骨架结构、蜡质骨架结构、不溶性骨架结构、混合骨架结构)、膜控型、固体分散体、薄膜包衣缓释制剂等，其中的药物不能自主扩散，其释放主要依赖缓释材料的特性，通过渗透压作用，骨架发生溶蚀和生物降解等现象进而释放药物，或通过囊膜微孔、药物分散相的屏障作用阻滞药物扩散：②低毒性：释药徐缓、药物浓度平稳，药物长时间处于有效药物浓度范围内，防止由于药物的波峰波谷波动而引起的药物浓度过高造成的毒副反应、以及药物浓度过低达不到药物治疗效果，有利于降低药物的毒副作用，提高药物生物利用度等优点；③有效地减少了病人的服药次数，增加患者顺应性。基于以上特性，缓释制剂得到广泛的应用，药物缓释制剂按给药途径分为经胃肠道给药制剂(口服缓释制剂)和不经胃肠道给药制剂(注射剂、栓剂、植入剂等)。同时，药物缓释制剂在农业林业的病虫害防治等领域也有广泛应用。
3D打印被誉为“第三次工业革命”，它以“逐层打印、层层叠加”的制造概念，通过计算机辅助设计模型，计算机控制直接制备具有特殊外型或复杂内部结构物体的快速成形技术，被广泛应用于航天、建筑、医药、制造业等众多领域。由于3D打印技术突破了传统药物加工技术的局限，保证其打印的结构可控，载药量精确，为打印新型药物剂型和定制个性化药物的发展提供了重要的手段。
现有3D打印缓释药物多为方形圆柱形的片层结构，通过控制每一个片层的药物浓度和片层的厚度来实现药物的缓释。但是这种缓释药片在打印时受打印喷嘴的限制，例如在只有两个打印喷嘴时只能实现两个梯度的释放。并且打印时只有把含有药物的生物墨水流动性调配的足够出色才能进行打印，同时也会影响载药量，因此墨水制备难度也高。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种结构简单，容易制备，缓释效果好的3D打印药物缓释胶囊及其制备方法与应用。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
<胶囊>
本发明提供一种3D打印药物缓释胶囊，其特征在于，包括：基底；和胶囊主体，形成在基底上，内部设有至少两个具有不同外壁厚度的腔室，每个腔室内填充同种药物或者不同药物。
优选地，本发明提供的3D打印药物缓释胶囊还可以具有以下特征：基底的厚度等于最厚的外壁厚度。
优选地，本发明提供的3D打印药物缓释胶囊还可以具有以下特征：形成在相邻两个腔室之间的内壁的厚度等于这两个腔室的外壁厚度之和。
优选地，本发明提供的3D打印药物缓释胶囊还可以具有以下特征：胶囊主体纵向截面的形状为圆弧形、椭圆形、顶角为圆角的锥形。
优选地，本发明提供的3D打印药物缓释胶囊还可以具有以下特征：腔室的数量为2～10个。
优选地，本发明提供的3D打印药物缓释胶囊还可以具有以下特征：3D打印药物缓释胶囊的外壁厚度为100μm～2mm，直径为1～20mm，高度为400μm～20mm。
优选地，本发明提供的3D打印药物缓释胶囊还可以具有以下特征：打印形成基底和胶囊主体的生物墨水为生物相容性良好、可生物降解的可打印材料，例如明胶加海藻酸钠加淀粉体系，或者明胶加淀粉体系，或者海藻酸钠加淀粉体系，或者淀粉体系等，生物墨水的各组分的比例可调；置于腔室中的药物为：颜色指示剂、荧光追踪剂和/或作用于疾病治疗、病虫害防治的药物，或者前述药物与填充剂(如淀粉、明胶、环糊精)的混合物；各组分的比例可调。
<制备方法>
进一步，本发明还提供一种制备3D打印药物缓释胶囊的方法，其特征在于：采用3D打印机打印制备上述<胶囊>中所描述的3D打印药物缓释胶囊。
优选地，本发明提供的3D打印药物缓释胶囊的制备方法还可以具有以下特征：先打印基底，随后腔室和药物填充通过以下两种方式中任一种进行：一种为，先自下而上打印腔室，待该腔室打印至2/3高度时，将药物成分按需挤出、打印至腔室中，最后打印腔室的顶部；另一种为，在打印腔室的同时，装填药物的针筒也开始工作，两个喷头交替工作，由外而内、自上而下进行打印。
<应用>
更进一步，本发明还提供上述<胶囊>中所描述的3D打印药物缓释胶囊在药物缓释领域的应用。例如，将该药物缓释胶囊用于体内服用/植入，或按需置于所需环境(农场、森林等)。
发明的作用与效果
本发明提供的3D打印药物缓释胶囊及其制备方法与应用，该胶囊由基底和内部具有梯度壁厚结构的腔室胶囊主体组成，每个腔室结构具有不同的外壁厚，腔室内填充同种药物或者不同药物，随着胶囊的不同壁厚的溶解速度不同，来逐步控制药物释放，使得该药物缓释胶囊在服用/植入体内后，或按需置于所需环境中(如农场、森林、湖泊等)时，能在较长时间内持久、缓慢的释放药物，避免峰谷现象，使药物浓度长时间维持在有效浓度范围，提高药物的利用度，减少用药次数，解决传统药物的效率低的问题。
并且，本发明通过常见的双喷嘴打印机，通过改变腔室的设计数量以及外壁厚，就可以实现多个梯度的释放，腔室填充药物的状态不受限制，易于制备，在打印不同药物类型缓释胶囊时通用，制备条件温和，极大地保护了药物的活性。
附图说明
图1为本发明实施例中涉及的3D打印药物缓释胶囊的结构示意图，其中(a)为整体结构示意图、(b)为横向剖视图、(c)为纵向剖视图、(d)为内部结构透视图；图中标号：1-微胶囊高度，2-腔室的外壁壁厚，3-胶囊的底面直径；
图2为本发明实施例中涉及的3D打印药物缓释胶囊的制备过程示意图，其中(a)为用于打印的3D打印机，(b)为打印喷头的局部放大及其温度场梯度示意图；(c)为3D打印过程图：先打印基底，后打印腔室；
图3为本发明实施例中制备的3D打印药物缓释胶囊的外部形貌图；
图4为本发明实施例中制备的3D打印药物缓释胶囊的内部多级结构图；
图5为本发明的3D打印药物缓释胶囊与对照组的体外缓释效果比较图；
图6为家兔体内植入给药后，本发明的药物缓释胶囊与对照组的释药动力学比较图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明涉及的3D打印药物缓释胶囊及其制备方法与应用的具体实施方案进行详细地说明。
<实施例>
1.3D打印缓释胶囊的建模
使用建模软件(Solidworks或autoCAD等)构建3D打印药物缓释胶囊(以下简称“药物缓释胶囊”)的三维模型，导出成STL文件格式。将模型导入3D打印机的打印软件，并检查修正数据。
设计尺寸之一举例说明如下：如图1所示，药物缓释胶囊底部直径14mm，高度7mm，底部厚度1.8mm；腔室数量为四个，分别设计各个腔室的外壁厚度，第一腔室外壁厚度1.3mm，第二腔室外壁厚度1.45mm，第三腔室外壁厚度1.6mm，第四腔室外壁厚度1.8mm；每个腔室的内壁厚度设为相邻两个腔室的外壁厚度之和，以避免在药物缓释胶囊进行溶解释放时，内壁厚度小于外壁厚度对缓释先后顺序的影响；为了降低服药时的不适性，边角处倒角设为2mm。
2.打印材料的准备
本实施例中，打印胶囊外壁所用的打印材料是由质量分数20％明胶、20％海藻酸钠以及10％淀粉溶解于去离子水中制备而成。以上三种材料均具有良好的生物相容性、可食用性、可药用性。明胶在高温时为液态，在低温下会发生可逆的物理交联形成固态，有利于打印成型。海藻酸钠溶于水形成粘性溶液，具有较低的流动性，适合用来打印。淀粉可以降低生物打印墨水的粘弹性，可以保证在打印层层累积时不会坍塌。
需要注意的是，明胶颗粒较难溶于温水，所以在实验过程中，需先将明胶在50℃水浴中搅拌溶解，再依次加入淀粉和海藻酸钠，搅拌半小时溶解至溶液呈淡黄色、且细腻无明显颗粒状未溶解固体团聚，形成可打印的生物墨水。制备形成的生物墨水在冷藏箱中保存待用(低温会发生固化)；使用之前加热至完全溶解，即可使用。
本实施例中，用于腔室中药物打印的生物墨水成分为：质量百分数10％的淀粉加10％的多柔比星。选择多柔比星的原因是因为其具有荧光，有利于使用荧光分光光度法检测其药物浓度。
3.打印条件具体打印流程
(1)打印条件
由于所用打印胶囊的生物墨水遇热液化、遇冷交联的特性，我们将打印机内温度设定为45℃(图2a)，针筒加热，温度探测器显示，打印机喷嘴从上到下温度从45℃到35℃递减(图2b)。此时材料既有一定的流动性从而不会阻塞打印机喷口，当材料从喷口挤出后，在室温环境中(20-24℃)可以迅速固化成型。
(2)具体打印流程
将设计好的模型导出为STL格式文件，导入到3D打印切片软件中，设计喷头打印顺序及打印路径，打印速度设置为6-16mm/s(优选为10mm/s)，打印层厚300-500微米(优选为400微米)，填充100％，导出为gcode格式准备打印。
将打印材料分别填入两个打印针筒中。其中，药物缓释胶囊的打印材料为上述明胶-海藻酸钠-淀粉体系，装载到针筒1中。腔体内的填充材料，即为药物成分，装载到针筒2中。并将gcode格式文件导入到打印机，双喷头打印机开始工作，通过层层累集，两个喷嘴分别负责打印壳体和填充药物。
由于明胶成分的热响应效应，打印壳体的生物墨水(明胶-海藻酸钠-淀粉材料体系)从喷口挤出后，在室温环境中(20-24℃)可以迅速固化成型(图2)。
我们先打印基底，随后腔室和药物填充可通过以下两种方式进行：
①先自下而上打印梯度腔室结构(图2c)，待腔室结构打印至2/3高度时，将药物成分按需挤出、打印至腔体中，最后打印腔室结构的圆顶部分。
②在打印腔室结构的同时，装填药物的针筒2也开始工作，两个喷头交替工作，由外而内、自上而下进行打印。
两种打印方式可以根据填充药物的流动性进行自主选择。当药物流动性强时，选用第一种打印方式；当药物流动性弱时，选用第二种打印方式。
4.药物缓释胶囊的形貌表征
我们用照相机拍摄上述3D打印制备的药物缓释胶囊的外貌。如图3所示，3D打印制备的药物缓释胶囊外观为扁圆锥体，外形完整，轮廓线光滑平整，高度约为7mm，底部直径约为14mm，缓释胶囊总体为淡乳黄色。
我们对打印的药物缓释胶囊(内部腔室不含药物)进行冷冻干燥、切片，并用扫描电子显微镜(SEM)观察药物缓释胶囊的内部腔室结构。如图4所示，打印的药物缓释胶囊内部含有四个腔室结构，不同的腔室其外壁厚度具有一定差异。
5.药物缓释胶囊的体外缓释对比效果
本实施例中，我们进行了不同药物的体外缓释效果的实验研究。
三组药物分别为：
对照组1：无胶囊，仅为打印的药物。
对照组2：胶囊的外壁厚度为单一厚度，其厚度为缓释胶囊的外壁厚度的平均值，其内壁厚度为缓释胶囊的外壁厚度的平均值；胶囊内部含有打印的药物。
本发明的药物缓释胶囊：含有四个腔室，各腔室的外壁厚度依次递增；腔室内部含有打印的药物。
对照组1、对照组2与药物缓释胶囊的药物成分、总载药量相同。
我们模拟人体温度和环境，我们将200毫升的生理盐水分别置于三个烧杯中，37℃加热，以200rpm转速进行搅拌。
在三个烧杯中，分别放入对照组1、对照组2和药物缓释胶囊。在避光环境中加热搅拌。
在不同的时间点，我们从各搅拌溶液中取200微升上清液，我们利用荧光分光光度法检测上清液中多柔比星的浓度，测试时激发波长设为485纳米、发射波长设为595纳米。并绘制如图5所示的时间-累积药物释放比例的曲线。
实验结果：
对照组1，由于没有胶囊保护，药物很快释放到生理盐水溶液中，在20分钟即达到95％的药物释放量。
对照组2，在30分钟左右开始释放药物，随后药物快速释放，在3小时左右达到95％的药物释放量。
药物缓释胶囊组，药物在15分钟左右开始释放，随后药物逐步释放，其药物释放速率明显低于对照组2。药物缓释胶囊组在6小时达到99％的释放量。说明我们发明的药物缓释胶囊具有显著的控制药物释放速度的作用。
6.药物缓释胶囊的体内缓释对比效果
我们采用体重2kg左右的家兔，在气体麻醉作用下，在家兔的皮下分别埋置对照组1、对照组2与药物缓释胶囊，每只家兔埋置一组药物。
随后，我们分时段对家兔进行耳缘静脉采血，并利用荧光分光光度法检测血液中多柔比星的药物浓度(激发波长设为485纳米、发射波长设为595纳米)。然后绘制时间-血药浓度曲线。
结果表明：
对照组1，药物在植入体内0.5小时后即达到最大血药浓度(68微克每毫升)，之后体内血药浓度迅速降低。
对照组2，药物在植入体内约2小时达到最大血药浓度(48微克每毫升)，之后体内血药浓度逐步降低，其下降速率低于对照组1。
药物缓释胶囊组，药物在植入体内后，由于其外壁的逐步溶解，导致药物缓慢释放，该组在6-8小时都保持较高的血药浓度(21微克每毫升)，随后体内的血药浓度下降，但是整体水平高于对照组1和对照组2。因此，3D打印多级药物缓释胶囊结构能够减少峰谷现象，提供平稳、持久的有效血药浓度。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的3D打印药物缓释胶囊及其制备方法与应用并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (5)

1.一种制备3D打印药物缓释胶囊的方法，其特征在于：
将双喷头打印机内温度设定为45℃，针筒加热，使打印机喷嘴从上到下温度从45℃到35℃递减，形成温度场梯度；
将药物缓释胶囊的打印材料装载到针筒1中；药物成分装载到针筒2中；
所述药物缓释胶囊的打印材料为明胶-海藻酸钠-淀粉体系：由质量分数20％明胶、20％海藻酸钠以及10％淀粉溶解于去离子水中制备而成；
3D打印药物缓释胶囊包括：基底；和胶囊主体，形成在所述基底上，内部设有至少两个具有不同外壁厚度的腔室，每个所述腔室内填充同种药物或者不同药物，所述胶囊主体纵向截面的形状为顶角为圆角的锥形；所述基底的厚度等于最厚的所述外壁厚度；
先打印基底，随后腔室和药物填充通过以下两种方式中任一种进行：
一种为，先自下而上打印所述腔室，待该腔室打印至2/3高度时，将药物成分按需挤出、打印至所述腔室中，最后打印所述腔室的顶部；
另一种为，在打印所述腔室的同时，装填药物的针筒也开始工作，两个喷头交替工作，由外而内、自上而下进行打印；
通过双喷头打印机打印层层累集形成所述3D打印药物缓释胶囊。
2.根据权利要求1所述的制备3D打印药物缓释胶囊的方法，其特征在于：
其中，形成在相邻两个所述腔室之间的内壁的厚度等于这两个所述腔室的所述外壁厚度之和。
3.根据权利要求1所述的制备3D打印药物缓释胶囊的方法，其特征在于：其中，所述腔室的数量为2～10个。
4.根据权利要求1所述的制备3D打印药物缓释胶囊的方法，其特征在于：
其中，所述3D打印药物缓释胶囊的外壁厚度为100μm～2mm，直径为1～20mm，高度为400μm～20mm。
5.根据权利要求1所述的制备3D打印药物缓释胶囊的方法，其特征在于：
其中，打印形成所述基底和所述胶囊主体的生物墨水为生物相容性良好、可生物降解的可打印材料；
置于所述腔室中的药物为：颜色指示剂、荧光追踪剂和/或作用于疾病治疗、病虫害防治的药物，或者前述药物与填充剂的混合物。
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