一次一层：3D 打印的工作原理
传统的减材制造工艺是从较大的材料块上切出产品，与之相比，增材制造（或 3D 打印）是一种完全不同的制造方式。
“这种新颖的方式将通过一次添加一层材料来制造产品，可为整个医疗保健行业带来一系列新的机遇。”我们的药物载体负责人 Thomas Kipping 解释道。
增材制造工艺从数字 3D 模型开始，然后将模型切成超薄的数字层，并转变为一套指令，供打印机遵循。为了实现商业规模的 3D 打印，我们开发了几种不同的方法，这些方法可简单地分为基于纤维、基于液体和基于粉末的技术。
自 1987 年第一台商用 3D 打印机问世以来，该技术的发展速度惊人 [1]。2020 年，全球共售出 210 万台 3D 打印机，预计到 2028 年，该数字将超过 1,530 万台 [2]。增材制造已经在一系列重工业中得到广泛应用，例如汽车、电子设备、航空航天和医疗保健行业。有人预测，到 2060 年，将有一半的制成品使用 3D 打印制造 [3]。
在医疗保健领域，3D 打印现正被用于制造定制假肢、种植牙和其他医疗设备。研究人员也在探索这项革命性技术的其他应用，比如“数字药物”，或者用于帮助加速药物开发的人工活体组织。
您知道吗？
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210 万
2020 年售出的 3D 打印机数量。预计到 2028 年，该数字将超过 1,530 万 [2]。
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50%
到 2060 年，3D 打印制成品所占的比例 [3]。
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2015
2015 年 - 首款 3D 打印药物获批 [4]。
只需轻点鼠标，即可获得合适的药物
全世界每天有数百万人服用处方药丸或药片。传统的做法是将含有活性成分和辅助成分（辅料）的粉末配方压缩成固体形式。
“这是一个已经使用了很多年的既定工艺。”Kipping 指出，“这对于大规模生产单个配方，以获得几十亿颗药丸非常有效，比如扑热息痛或乙酰水杨酸。”
但是，这种方法对于生产临床研发中经常需要的小批量实验性药物并不理想。例如，早期的临床试验通常会进行剂量递增研究，以确定对患者最佳和最安全的剂量——这需要使用具有不同数量活性成分的不同配方。
增材制造有可能彻底改变药物的生产方式——推动行业走向数字化。2015 年，首款 3D 打印处方物被美国食品和药物管理局 (FDA) 批准用于治疗癫痫，为定制药物的研发打开了大门 [4]。
“它在药物研发的早期阶段提供了较大的灵活性；我们只需对数字文件进行一些更改，就可轻松更改药物的特性，比如形状、大小、剂量或释放曲线。”Kipping 解释道。
除了通过加快临床试验，帮助患者更快地获得新药外，3D 打印还可让患有罕见病的患者受益——为制造符合患者需求且剂量精确的定制药物创造新的可能性，从而帮助交付个性化的药物。
“您可想象成为一群患者制造小批量药物。”Kipping 预测道，“但最终目标是定制的 3D 打印‘复方药’，其结合不同的药物以满足特定的个人需求。”
增材制造还可实现药物生产的去中心化，这有助于确保供应链的安全，而且更容易调整配方以符合地区监管要求。未来，甚至有可能在药店部署 3D 打印技术，实现小批量药品的按需制造。
“目前，一种药物可能只有一两个生产中心，然后会运往不同的国家或地区。”Kipping 说道，“在不久的将来，3D 打印将使片剂能够根据不同市场需求，在当地按需生产。
只需更换胶原质盒
其他研究人员正在探索 3D 生物打印的潜力。这包括应用该技术，将明胶或胶原质等生物材料与活细胞相结合，在实验皿上打印为材料层。
“您可用不同的‘墨盒’进行打印，例如使用含胶原质和一种细胞类型的墨盒，以及含不同材料混合另一种细胞的墨盒。”我们的分析服务部高级科学家 Petra Macht 解释说，“之后，您可使用生物打印机将它们组合成一个非常明确的结构。”
虽然该技术仍处于起步阶段，但它为构建实验室工程的复杂组织提供了令人兴奋的机会。例如，我们的皮肤有不同的分层，可使用不同的细胞类型打印每一层。
“生物打印的终极目标是器官再生，比如使用患者的细胞进行皮肤移植。”Macht 说道，“虽然距离目标还很遥远，但这种理念绝对是颠覆性的。”
开发利用 3D 生物打印创建的先进细胞培养模型，也有可能改善药物研发。传统上，在药物研发的早期阶段，研究人员会使用 2D 细胞培养物确定化合物的潜力。但这些模型并不能准确反映人体的生理状况。
“在单层中生长的细胞不能代表细胞在真正 3D 环境中的状态。”Macht 说道，“在人体中，一个组织包含许多不同类型的细胞，它们会相互影响。”
这在早期药物研发中会成为挑战。约 86% 进入临床试验的候选药物永远不会获得批准 [5]，一款实验性药物在开始出售前平均需要 12 年的时间 [6]。如果在早期实验室测试中选择了错误的化合物，有可能造成这种高失败率。
“开发更好的实验室模型，模拟细胞在体内的正常生长和功能，将有助于在早期排除不合适的化合物。”Macht 说道，“这将增加进入临床试验的实验性药物的成功率。”
医学的下一个篇章属于 3D 打印
现在，制药行业正朝着实现 3D 打印在药物研发中的优势迈出第一步。许多制药公司正在研究这些技术如何帮助找到解决生产固体剂配方的各种挑战的方法。
“它是面向药物配方师的另一个工具——为可能被放弃的潜在药物提供了生产配方的选择。”Kipping 说道，“在某些情况下，药物的 3D 打印将提供优于标准制造方法的优势，尤其是在需要高级功能的情况下。”
我们组建了来自各个业务部门的跨学科专家团队，可支持不同的制药公司利用这些新技术来提高他们的药物生产能力。
“这是一项快速发展的技术——要取得成功，您需要应用来自多个不同领域的知识。”Kipping 说，“我们可在包括工程、辅料制造和配方技术在内的多个研究领域提供综合的专业知识，并提供质量和监管方面的见解，以确保新药物得到全面评估，而且在未来对患者也是安全的。”
我们还致力于开发用于药物测试应用的 3D 生物打印。与任何新系统一样，该技术首先需要广泛的验证——目前，再现性是一大挑战。
“我们需要将很多非常小的结构打印到微小的槽口中，以实现对多种不同浓度药物物质的测试。”Macht 介绍说，“而且这些必须彼此相同，也就是说第一个槽口需要和第一百个槽口一样。”
尽管存在这些挑战，3D 生物打印依然是一项值得期待的技术。
“这是一项独特的技术，融合了细胞生物学、印刷技术和材料科学，以及如何作出改变的无限可能性。”Macht 表示，“光是看到细胞在不同环境中的表现，就已经让我着迷。”
3D 生物打印的发展将颠覆整个试验药物测试和再生医学领域。
“尝试不同的技术充满乐趣，总是激动人心！”Macht 兴奋地说。
参考文献
[1] https://www.3dhubs.com/guides/3d-printing/#basics
[2] https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/3d-printing-industry-analysis
[3] http://www.3ders.org/articles/20171003-ing-says-3d-printing-could-account-for-half-of-manufactured-goods-by-2060-wiping-out-25-percent-of-global-trade.html
[4] https://www.nature.com/articles/nbt1015-1014a
[5] https://www.centerwatch.com/articles/12702-new-mit-study-puts-clinical-research-success-rate-at-14-percent
[6] https://www.medicinenet.com/script/main/art.asp?articlekey=9877