3D-geprinte pillen zijn in aantocht. Ze lijken op designobjecten die actieve medische ingrediënten op een gecontroleerde manier in het lichaam af te geven. Een groep computerwetenschappers van het Max Planck Instituut voor Informatica in Saarbrücken, Duitsland, en de Universiteit van Californië in Davis hebben een proces ontwikkeld dat berekeningen en 3D-printen combineert om tabletten te produceren die binnen een bepaalde tijd oplossen in vloeistoffen, schrijft het Duitse instituut in een persbericht.
- Wetenschappers gebruiken 3D-printen om pillen te produceren.
- De onderzoekers hebben aangetoond dat een tablet met een door de computer gemodelleerde vorm een actief ingrediënt in de bedoelde periode afgeeft.
Voor een succesvolle behandeling met medicijnen, moet de concentratie van de werkzame bestanddelen in het lichaam op het gewenste niveau zijn. Hoewel dit gemakkelijker te bereiken is met een infuus, wordt het ingewikkelder als er tabletten worden toegediend. Eén mogelijkheid is om tabletten te maken van verschillende componenten met verschillende concentraties actieve ingrediënten. Maar het maken van zulke tabletten is een uitdaging. De grote vooruitgang op het gebied van 3D-printen biedt een uitkomst. Complexe vormen kunnen met relatief weinig moeite worden gemaakt, waaronder tabletten in verschillende geometrische vormen. Dat is handig, want de vorm van de tablet is de enige factor die de afgifte van een actief ingrediënt bepaalt.
Invers ontwerp voor tabletvorm
Een onderzoeksgroep onder leiding van Vahid Babaei, onderzoeksgroepleider aan het Max Planck Instituut voor Informatica, en Julian Panetta, professor aan de Universiteit van Californië in Davis, gebruikt wiskundige modellering en experimenten om te bepalen welke tabletvorm de gewenste hoeveelheid van een actief ingrediënt vrijgeeft tijdens het oplossen in het spijsverteringskanaal, en zo zorgt voor het noodzakelijke niveau van het actieve ingrediënt in het lichaam. Het team past voor het eerst een invers ontwerp en zogenaamde topologie-optimalisatie toe. Bij deze methode worden de eigenschappen van een geometrische figuur gedefinieerd.
In het geval van tabletten definiëren de onderzoekers dus eerst het afgifteprofiel waarin de tablet zijn werkzame stof moet afgeven. Vervolgens berekenen ze de vorm die precies dit afgifteprofiel heeft. Hiervoor gebruiken ze een model dat registreert hoe geometrische figuren met verschillende vormen oplossen in een vloeistof. De berekende structuren lijken soms op zoutkristallen, of op extravagante designobjecten. Het team print deze vormen nu van een in water oplosbaar materiaal dat commercieel wordt gebruikt bij 3D-printen. De onderzoekers hebben aangetoond dat een tablet met een door de computer gemodelleerde vorm een actief ingrediënt relatief precies in de beoogde periode afgeeft. Bij deze experimenten werden verschillende tabletten opgelost in water en werd de concentratie van de stof in de oplossing bepaald via de lichttransmissie. Om ervoor te zorgen dat zelfs tabletten met bizarre vormen nog kunnen worden doorgeslikt, is het mogelijk om ze te maken van een zacht dragermateriaal of ze in te sluiten in een snel oplossende capsule.
Optimalisatie voor massaproductie
Het vinden van de optimale tabletvorm is echter niet het enige sterke punt van het inverse ontwerp; het kan ook rekening houden met het productieproces, en hoe deze de keuze van vormen beperkt. Want hoewel 3D-printen het relatief eenvoudig maakt om willekeurige structuren te maken, is het niet economisch genoeg voor massaproductie. Maar wetenschappers kunnen de inverse ontwerpvoorwaarden aanpassen zodat alleen vormen worden berekend die door extrusie kunnen worden gemaakt. In dit standaard industriële proces wordt een vloeibare massa door een mal geperst, waardoor de materiaalstreng een vorm krijgt en stolt; de streng wordt vervolgens in kortere stukken gesneden. Op deze manier zou een omgekeerd ontwerp kunnen leiden tot een grotere vormdiversiteit, niet alleen in farmaceutica maar bijvoorbeeld ook bij de productie van kunstmest of katalysatorlichamen voor chemische productie.
