熔融沉積成型3D打印鹽酸維拉帕米胃漂浮制劑的制備與體外評價

陳 迪，徐翔宇，汪明睿，李 芮，臧根奧，張 悅，錢浩楠，閆光榮△，范田園△

(1.北京大學藥學院藥劑學系，北京大學藥學院分子藥劑學與新釋藥系統北京市重點實驗室， 北京 100191； 2. 北京航空航天大學機械工程及自動化學院， 北京 100191)

胃漂浮制劑因密度小于胃液，可以在胃內漂浮，并且可以按照預定速率緩慢釋放藥物[1]，適用于在胃或十二指腸吸收、在堿性環境中溶解度低或穩定性差以及需要穿透胃或十二指腸壁產生長時間作用的藥物等[2]。由于延長了胃內滯留時間，胃漂浮制劑可以提高藥物的生物利用度并改善治療效果[3]。傳統制備工藝中，胃漂浮制劑的處方成分較多(如需要加入調節釋放速度和增加浮力等多種成分[1])，制備工藝也較為復雜(如采用濕法制粒[4]、擠出滾圓[5]和多層包衣[3]等)，還可能因漂浮滯后時間較長而提前被胃排出[6]。

熔融沉積成型(fused deposition modeling，FDM)3D打印技術是一種將聚合物絲材熔融后逐層堆疊在打印平臺上形成實體物品的技術[7]，與其他3D打印技術相比，該技術具有成本低廉、產品成型效果好等優點，成為了制劑領域的研究熱點，主要用于固體口服制劑的研究[8-10]。

鹽酸維拉帕米是一種鈣離子通道阻滯劑，通常用于治療高血壓、心絞痛等疾病。鹽酸維拉帕米在鹽酸溶液(pH 1.0)和磷酸鹽緩沖溶液(pH 6.8)中的溶解度分別為360 g/L和54 g/L[11]，延長胃內滯留時間可以增加藥物的胃腸道吸收，提高藥物療效，是傳統方法制備胃漂浮制劑常用的模型藥物[11-12]。

本研究利用FDM 3D打印技術可以制備復雜構型制劑的優勢，通過設計外部形狀增加浮力、降低內部填充率使制劑的整體密度小于胃液，進而實現制劑的體外漂浮。選用鹽酸維拉帕米為模型藥物，以FDM 3D打印技術制備膠囊型和半球型的胃漂浮制劑，并對其形態、平均質量、硬度、體外漂浮和釋藥行為等進行較為系統的評價。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

1.1.1材料和試劑 鹽酸維拉帕米原料藥(純度99%，批號123622)購自武漢遠成共創科技有限公司，鹽酸維拉帕米市售片(規格40 mg，批號59180301)購自上海信誼藥廠有限公司，聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)(型號0588，批號20180701001)購自上海影佳實業發展有限公司，PVA載藥絲為實驗室自制[13]，鹽酸(分析純)購自北京化工廠，冰醋酸(分析純)購自天津市大茂化學試劑廠，無水醋酸鈉(分析純)購自北京市慶盛達化工技術有限公司，三乙胺(分析純)購自北京市通廣精細化工公司，甲醇(色譜純)購自美國ThermoFisher公司。

1.1.2儀器 AutoCAD軟件購自美國Autodesk公司，MakerWare 3D打印軟件(v.3.8.0.373)購自美國MakerBot公司，MakerBot Replicator 2X桌面3D打印機購自美國MakerBot公司，S4800掃描電鏡購自日本Hitachi公司，PL203電子天平購自上海梅特勒-托利多儀器有限公司，MultiTest 2.5-i物性測定儀購自英國Mecmesin公司，HH-S數顯恒溫水浴鍋購自金壇市金偉實驗儀器廠，Agilent 1260分析型高效液相色譜儀購自美國Agilent公司，UV-1100紫外可見分光光度計購自上海美譜達儀器有限公司，RC-6智能溶出度測試儀購自天津市新天光分析儀器技術有限公司，GraphPad Prism 6.01軟件購自美國GraphPad Software公司。

1.2 制劑的設計

將FDM 3D打印胃漂浮制劑的外形設計為膠囊型和半球型，其參數示意圖如圖1所示；將制劑的填充率設計為15%，其內部填充結構如圖2所示；制劑的外部尺寸、層高、殼數和頂底厚等參數見表1。

A, C, capsule; B, D, hemisphere. a and b represent the length and height of the formulations, respectively.圖1 FDM 3D打印胃漂浮制劑的參數示意圖Figure 1 Schematic diagram of FDM 3D printed gastric floating formulations

A, capsule; B, hemisphere.圖2 FDM 3D打印胃漂浮制劑的填充結構示意圖Figure 2 Illustration of the infill structure of the FDM 3D printed gastric floating formulations

表1 FDM 3D打印胃漂浮制劑的參數Table 1 Parameters of the FDM 3D printed gastric floating formulations

1.3 制劑的制備

根據表1中的制劑參數，使用AutoCAD軟件建立3D打印胃漂浮制劑的數字化模型，并保存為STL格式輸入到3D打印軟件中。將PVA載藥絲供給FDM 3D打印機，在MakerWare 3D打印軟件的控制下制備胃漂浮制劑。在如下范圍內調試FDM 3D打印機的工藝參數：打印頭溫度175～200 ℃，平臺溫度20～150 ℃，打印速度10～90 mm/s(擠出速度)和50～100 mm/s(移動速度)。

1.4 制劑的形態

1.4.1實物照片 采用相機分別對膠囊型和半球型制劑的表面和截面(切開)進行拍攝。

1.4.2掃描電鏡照片 采用掃描電鏡(工作電壓5.0 kV，放大倍數30倍)分別對膠囊型和半球型制劑的表面和截面(切開)進行拍攝。

1.5 制劑的重量

采用千分之一天平分別對膠囊型和半球型制劑進行稱量(n=15)，記錄其重量數據。

1.6 制劑的硬度

采用物性測定儀分別從膠囊型和半球型制劑互相垂直的兩個方向對其進行硬度測試(n=6)。物性測定儀的探頭為75 mm直徑的圓盤，測試速度為60 mm/min，最大量程為800.0 N，測定方向如圖3所示，豎直向下施力，當制劑水平放置時標記為方向Ⅰ，當制劑豎直放置時標記為方向Ⅱ。

1.7 制劑的藥物含量

1.7.1高效液相色譜法 高效液相色譜條件如下：Extended C18色譜柱(150 mm × 4.6 mm， 5 μm，安捷倫，美國)，柱溫40 ℃，紫外檢測器檢測波長278 nm，流動相為甲醇和醋酸-醋酸鈉緩沖溶液(三乙胺調節pH為4.1)按45 ∶55體積比配制的混合液，流動相流速1.0 mL/min，進樣量20 μL(n=3)。標準曲線：分別以濃度為5.0、10.0、20.0、30.0、40.0和50.0 mg/L的鹽酸維拉帕米溶液建立標準曲線?；厥章剩悍謩e取高(50.0 mg/L)、中(30.0 mg/L)、低(10.0 mg/L)3個濃度的鹽酸維拉帕米溶液測定回收率(n=3)。

1.7.2制劑的藥物含量 精密稱取膠囊型或半球型制劑(約0.5 g)，分別用0.1 mol/L鹽酸溶液完全溶解并稀釋至合適濃度(n=3)，溶液經0.22 μm濾膜過濾后，按照上述高效液相色譜條件測定其中的鹽酸維拉帕米濃度，并計算樣品中的藥物含量。

圖3 從制劑互相垂直的兩個方向(方向Ⅰ和方向Ⅱ)測量硬度時的施力示意圖Figure 3 Illustration of the applied force in two perpendicular directions (direction Ⅰ and direction Ⅱ) measuring the hardness of the formulations

1.8 制劑的體外漂浮

以100 mL的0.1 mol/L鹽酸溶液為漂浮介質，在(37.0±0.5) ℃條件下分別對膠囊型和半球型制劑的體外漂浮行為進行表征(n=3)，記錄其漂浮滯后時間和體外漂浮時間[14]。

1.9 制劑的體外釋藥

參照《中國藥典》2015版溶出度測定法(第一法籃法)及相關文獻[15]，考察膠囊型和半球型制劑的體外釋藥行為，并以鹽酸維拉帕米市售片為對照(n=6)。以900 mL的0.1 mol/L鹽酸溶液為釋放介質，在轉速100 r/min、溫度(37.0±0.5) ℃條件下進行實驗，在預定時間點吸取溶液10 mL，并同時補充同溫、同體積的釋放介質；溶液稀釋至適宜濃度并經0.22 μm濾膜過濾后，以紫外分光光度法在229 nm測定鹽酸維拉帕米的濃度(標準曲線方程為A=0.010 8C+0.004 6，R2=0.999 8，濃度范圍為5.0～50.0 mg/L)，以制劑中的藥物含量作為藥物全部釋放的量，計算各時間點的累積釋藥百分數并繪制釋藥曲線。

1.10 統計學檢驗

實驗數據均采用均值±標準差來表示，應用GraphPad Prism 6.01軟件，采用t檢驗對所得結果進行統計學分析，P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 制劑的制備

當打印頭溫度為185 ℃，平臺溫度為110 ℃，打印速度為10～15 mm/s(擠出速度)和80 mm/s(移動速度)時，能夠成功制備出膠囊型和半球型兩種胃漂浮制劑。

2.2 制劑的形態

2.2.1實物照片 膠囊型和半球型制劑的表面和截面實物照片顯示，制劑表面光滑(圖4A、C)，無打印缺陷，可以看到制劑的橫截面結構(圖4B、D)，其填充結構與設計一致。

A, appearance of capsule; B, section of capsule; C, appearance of he-misphere; D, section of hemisphere.圖4 FDM 3D打印胃漂浮制劑的實物照片Figure 4 Photos of the FDM 3D printed gastric floating formulations

2.2.2掃描電鏡照片 觀察膠囊型和半球型制劑的表面和截面掃描電鏡照片可見，制劑外殼均由絲材緊密堆積而成(圖5A、C)，能清晰地觀察到制劑的橫截面結構(圖5B、D)，無打印缺陷。

A, surface of capsule; B, section of capsule; C, surface of hemisphere; D, section of hemisphere.圖5 FDM 3D打印胃漂浮制劑的掃描電鏡照片Figure 5 SEM images of the FDM 3D printed gastric floating formulations

2.3 制劑的質量

膠囊型和半球型制劑的平均質量分別為(584±13) mg和(550±12) mg，膠囊型制劑的質量較大(P<0.05，表2)。

2.4 制劑的硬度

當按方向Ⅰ和Ⅱ施力時，膠囊型和半球型制劑的硬度均大于800.0 N(表2)。

表2 FDM 3D打印胃漂浮制劑的表征結果Table 2 Characterization results of the FDM 3D printed gastric floating formulations

2.5 制劑的藥物含量

2.5.1高效液相色譜法 鹽酸維拉帕米的標準曲線方程為A=16.748 0C+1.950 4，R2=0.999 9，其中A為色譜峰面積，C為鹽酸維拉帕米濃度(mg/L)。結果表明，鹽酸維拉帕米濃度在5.0～50.0 mg/L范圍內時峰面積與濃度線性關系良好。高、中、低濃度的回收率分別為101.08%、99.63%和100.16%，均在99%～102%范圍內，符合《中國藥典》2015版要求；相對標準偏差分別為1.69%、1.17%和0.70%，均小于5%，表明該方法具有較好的準確度。

2.5.2制劑的藥物含量 膠囊型和半球型制劑的藥物含量分別為(59.1±0.5) mg和(62.4±1.4) mg。

2.6 制劑的體外漂浮

膠囊型和半球型制劑的體外漂浮滯后時間均為0，體外漂浮時間分別為(3.97±0.41) h和(4.48±0.21) h，差異無統計學意義(P> 0.05)。

2.7 制劑的體外釋藥

市售片、膠囊型和半球型制劑的體外釋藥曲線如圖6所示，市售片在15 min時釋藥完全，膠囊型和半球型制劑在體外釋藥完全的時間均為3 h。膠囊型和半球型制劑的體外釋藥速率明顯低于市售片，具有一定的緩釋效果；膠囊型制劑的釋藥速率略快于半球型制劑。

圖6 市售片、膠囊型和半球型FDM 3D打印制劑的體外釋藥曲線Figure 6 In vitro drug release curves of conventional tablet, capsule and hemisphere FDM 3D printed gastric floating formulations

3 討論

3.1 制劑的設計

本研究利用FDM 3D打印技術能夠制備復雜構型的優勢設計了胃漂浮制劑，主要對外部形狀、內部填充率和結構以及模型參數等方面進行了考慮。

在形狀方面，首先選擇了常用的膠囊型；其次考慮了球型(當物體表面積一定時球形的體積最大，有利于漂浮)，但因球形底部與平臺接觸面積小，不便于打印，因而設計了半球型制劑；同時，膠囊型和半球型制劑均具有拱形結構，可以對制劑起到較好的支撐，有利于設計填充率較低的制劑以實現漂浮。

填充率是指所打印的物體內部空腔的比例，可以在0～100%范圍內設置。填充率為0時物體內部無填充，可打印出空心物體；填充率為100%時物體內部全部填滿，可打印出實心物體。我們前期考察了不同填充率的制劑，發現填充率過小時，制劑會因缺少支撐而塌陷，填充率過大時，制劑會因整體密度大于胃液而難以實現漂浮。因此，在填充率方面，本研究選擇了15%的填充率使制劑的整體密度小于胃液[16]，以實現制劑的漂浮并有效降低制劑的漂浮滯后時間，同時還兼顧了制劑的形態和硬度。在內部結構方面，設計了交叉型填充結構(圖2)，以增強內部結構對制劑的支撐作用。

在模型參數方面(圖1)，層高是指所打印制劑的每一層的厚度，通常層高為0.1～0.3 mm，多用0.2 mm，層高越小制劑越致密但打印耗時越長；通常殼數為1～3，頂底厚為0.5～0.8 mm，殼數和頂底厚決定了制劑外殼的厚度，較厚的制劑外殼能夠減緩水分滲入和藥物擴散。本研究參照文獻選用了最常用的層高和較大的殼數、頂底厚[17-18]。

3.2 制劑的制備

制備的工藝參數主要包括打印頭溫度、平臺溫度和打印速度。

打印頭溫度直接影響出絲的流動性和制劑的穩定性：溫度過低時，絲材不能順利流下或出絲不連續，影響制劑的質量；溫度過高時，處方成分可能分解。打印平臺溫度主要影響制劑的冷卻過程：溫度過低時，制劑不能粘在打印平臺上，會出現移動等定位不精準的情況，進而影響制劑的質量；溫度過高時，因冷卻較慢，制劑容易發生形變。打印速度主要影響制劑的成型質量：打印速度適當可以使制劑層與層之間粘著程度較好、制劑的外觀形態良好，但打印速度過慢則耗時較長；擠出速度還要和移動速度匹配，以獲得較高的打印精度。

3.3 制劑的質量

FDM 3D打印口服制劑測定制劑質量時選取的制劑數量為3～20片不等[19-21]，本研究選取15片來進行實驗。據文獻報道，FDM 3D打印口服制劑質量在500～600 mg時，其相對標準偏差(relative standard deviation，RSD)為0.09%～7.12%[22-25]，本研究中的膠囊型和半球型制劑的質量分別為(584±13) mg和(550±12) mg，RSD分別為2.09%和2.22%，在文獻報道的范圍內，表明本實驗制備的膠囊型和半球型FDM 3D打印胃漂浮制劑具有較好的質量穩定性和重現性。

3.4 制劑的硬度

與傳統制劑相比，3D打印制劑具有復雜的外部形狀和內部結構，目前還沒有測定硬度的統一標準。本研究在制劑兩個互相垂直的方向上(與打印層平行和垂直)分別測定了硬度。膠囊型和半球型制劑在兩個方向上的硬度均大于800.0 N，說明制劑的打印層間不易滑動開裂，推測交叉填充的內部結構可能起到了較好的支撐作用；與文獻報道的FDM 3D打印口服制劑相比(通常小于400 N)，本研究所制備的制劑具有較高的硬度[21, 26-27]，預計能夠滿足在包裝和運輸過程中的硬度要求。

3.5 制劑的藥物含量

本研究根據文獻中鹽酸維拉帕米胃漂浮制劑的劑量(40～120 mg[12, 28])，將膠囊型和半球型制劑的劑量均設計為60 mg。測定結果顯示，膠囊型和半球型制劑的藥物含量分別相當于標示量的98.5%±0.8%和104.0%±2.3%。這與鹽酸維拉帕米具有較好的熱穩定性有關，其開始分解的溫度在250 ℃左右[29]，遠高于制劑的打印溫度185 ℃。

3.6 制劑的體外漂浮

膠囊型和半球型制劑被放入人工胃液后均能夠立刻漂浮，即漂浮滯后時間均為0。與傳統胃漂浮制劑相比，本研究制備的FDM 3D打印胃漂浮制劑能夠有效降低由于漂浮滯后時間過長而使制劑在發揮作用前就被排出胃部的風險[6]。

據文獻報道，胃漂浮制劑的胃排空受進餐影響，因而本文設計體外漂浮時間在兩餐間隔之間，約 4～5 h，實驗結果表明接近預期結果。文獻中以鹽酸維拉帕米為模型藥物的傳統方法制備的胃漂浮制劑，其體外漂浮時間在5～24 h不等[11-12, 28, 30-31]，與之相比，本研究制備的FDM 3D打印胃漂浮制劑的體外漂浮時間較短，推測與輔料PVA溶解和溶蝕較快有關。

3.7 制劑的體外釋藥

膠囊型和半球型制劑的體外釋藥速率明顯慢于市售片，具有一定的緩釋效果。與文獻報道的以傳統方法制備的鹽酸維拉帕米胃漂浮制劑相比，本研究制備的FDM 3D打印胃漂浮制劑釋藥完全所需的時間較短，推測是由于PVA的溶解和溶蝕速率快于文獻中的輔料(羥丙基甲基纖維素[12]、醋酸纖維素[30]和微晶纖維素[32]等)。

總之，本研究利用FDM 3D打印技術，成功制備了膠囊型和半球型的鹽酸維拉帕米胃漂浮制劑。體外結果表明，膠囊型和半球型制劑均具有良好的成型質量、無打印缺陷，制劑質量的相對標準偏差在文獻報道的范圍內，制劑的硬度較高、機械性能較好，實現了體外漂浮且漂浮滯后時間為0，制劑在體外緩慢釋藥。因此，本研究證明了FDM 3D打印技術制備胃漂浮制劑的可行性，今后將考慮以溶解速度較慢的輔料制備FDM 3D打印胃漂浮制劑，進一步延長漂浮時間并提高藥物緩釋效果。