Agata Grzejdziak, Zofia Mazurkiewicz, Agnieszka Dużyk, Katarzyna Sikora, Witold Jamróz, Mateusz Kurek
Aktualne postępy w ekstruzji topliwej filamentów jako półproduktów w procesie druku 3D leków metodą osadzania stopionego materiału
2024-07-25
Przedmiot przeglądu. Ekstruzja topliwa (ang. Hot-Melt Extrusion, HME) znalazła zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, w tym farmaceutycznym, jako metoda inkorporowania substancji leczniczej do matrycy polimerowej, lecz również, szczególnie w ostatnich latach, jako metoda wytwarzania filamentów stosowanych w druku trójwymiarowym (3D). Ekstruzja topliwa wraz z drukiem metodą osadzania stopionego materiału (ang. Fused Deposition Modeling, FDM) są najbardziej dynamicznie rozwijanymi metodami w druku 3D stosowanymi w badaniach nad technologią druku trójwymiarowego postaci leku. Publikowane prace naukowe skupiają się jednak przede wszystkim na druku, podczas gdy proces ekstruzji filamentów jest często zaledwie niewielkim elementem tych prac, a to właśnie od jakości filamentów zależy powodzenie procesu druku metodą FDM i przyszłość tej technologii. Przewiduje się, że druk leków może znaleźć zastosowanie przede wszystkim do wytwarzania krótkich serii produktów leczniczych lub w aptekach szpitalnych oraz ogólnodostępnych. W niektórych krajach, takich jak Hiszpania czy Finlandia trwają już próby zastosowania technologii druku 3D w warunkach aptek szpitalnych. Aby jednak metoda FDM znalazła swoje miejsce w sporządzaniu leków spersonalizowanych, wymagane jest zapewnienie jakości i bezpieczeństwa produktów przygotowywanych tą metodą.
Cel przeglądu. Celem pracy jest przegląd aktualnych wyników badań, wymogów i postępów w ekstruzji topliwej filamentów oraz wskazanie kierunków dalszego kierunku rozwoju tej technologii. Filamenty muszą charakteryzować się określonymi właściwościami mechanicznymi, termicznymi i fizykochemicznymi, aby zapewnić jakość i stabilność końcowego produktu leczniczego. Mimo znacznych postępów, jakie miały miejsce w ostatnich latach, istnieje potrzeba ujednolicenia metod badawczych oraz wymagań jakościowych dla filamentów, co jest kluczowe dla ich zastosowania w druku 3D leków.
Materiał i metody. Analizie poddano najnowsze, starannie wyselekcjonowane piśmiennictwo, w większości z ostatnich pięciu lat, opisujące aktualne postępy w procesie ekstruzji topliwej filamentów do celów farmaceutycznych, metody ich badań oraz wymagania jakościowe.
Wyniki. W artykule przedstawiono właściwości, jakimi powinny charakteryzować się filamenty stosowane w FDM, metody ich oceny oraz omówiono wybrane badania dotyczące stabilności i przydatności filamentów w produkcji leków. Zwrócono także uwagę na konieczność standaryzacji metod badania, jako że w opisywanych pracach badawczych występują rozbieżności w stosowanej metodyce.
Wnioski. Wyniki badań wskazują, że zastosowanie ekstruzji topliwej do produkcji filamentów oraz druku 3D może być efektywną metodą produkcji spersonalizowanych postaci leku, dostosowanych do indywidualnych potrzeb pacjentów, przy zapewnieniu jakości kluczowego półproduktu, jakim jest filament zawierający substancję leczniczą.
Słowa kluczowe: ekstruzja topliwa, druk 3D, polimery, filament.
© Farm Pol, 2024, 80(3): 147–156
Current advancements in hot-melt extrusion of filaments as intermediates in the 3D drug printing process using the fused deposition modeling method
Object of review. The hot-melt extrusion (HME) technology is widely used in various industries, including the pharmaceutical industry, as a method of incorporating a drug substance into a polymer matrix, but also, especially in recent years, as a method of producing filaments used in three-dimensional (3D) printing. Hot-melt extrusion, together with fused deposition modeling (FDM) printing, are the most rapidly developing technologies in 3D printing of medicinal products. However, published scientific papers primarily focus on the printing process, with filament extrusion often constituting only a small portion of the work. Nevertheless, the quality of the filaments determines both the success of the FDM printing process and the future of this technology. It is anticipated that drug printing may find application primarily in the manufacturing of small batches of medicinal products or in hospital and community pharmacies. In some countries, such as Spain and Finland, some attempts are already underway to apply 3D printing technology in hospital pharmacy settings. However, in order for the FDM method to find its place in the preparation of personalized medicines, it is required to ensure the quality and safety of the products prepared by this method.
Goal of the review. The aim of this paper is to review the current research achievements, requirements, and advancements in hot-melt extrusion of the filaments and to indicate directions for further development of this technology. Filaments must possess certain mechanical, thermal, and physicochemical properties to ensure the stability and quality of the final drug product. Despite the significant advances that have taken place in recent years, there is a need to standardize test methods and quality requirements for filaments, which is crucial for their application to the 3D printing of drugs.
Material and methods. We analyzed the most recent, carefully chosen literature, primarily from the past five years, that describes current advancements in hot-melt extrusion of pharmaceutical filaments, their testing methods, and quality requirements.
Results. The article describes the properties that the filaments used in FDM should have, methods for their evaluation, and selected studies on the stability and suitability of filaments in drug manufacturing. The article also highlights the need for standardized testing methods, given the discrepancies in the methodology across the described research.
Conclusions. The study’s findings indicate that using hot-melt extrusion to produce filaments and 3D printing can be an effective method for producing personalized drug forms tailored to individual patients’ needs while ensuring the quality of the key intermediate product, which is the filament containing the drug substance.
Keywords: hot-melt extrusion, 3D printing, polymers, filament.
© Farm Pol, 2024, 80(3): 147–156