以后看到形状奇特的药丸不要惊讶。乍一看，它们可能看起来很有趣，但它们可以以可控的方式在体内释放药物。结合使用先进的计算方法和3D打印，可以生产以预定格式溶解在液体中的物体。

来自德国萨尔布吕肯马克斯普朗克信息学研究所和加州大学戴维斯分校的一组计算机科学家发明了一种完全依赖于物体形状的时间控制释放过程。这将对最近开始密切关注3D打印的制药行业产生重要影响。

看起来很有趣的药丸不是设计噱头，它们可以在所需的时间范围内释放药物。控制患者的药物浓度是药物治疗的重要组成部分。在静脉输注的情况下，血液中的浓度由滴速乘以静脉溶液中药物的比例确定。通过最初给予大剂量并从那时起通过较小剂量维持它可以实现恒定的药物水平。对于口服给药，这种制度更难确保。

一种想法是在不同位置使用具有不同药物浓度的多组分、多材料结构，这很难制造。另一方面，3D打印的巨大进步及其创造复杂形状的不可逾越的能力，使载体材料中生化成分恒定分布的自由形态药物目前是一个可行的选择。对于这类药物，释放完全取决于几何形状，更容易保证和控制。

该项目由VahidBabaei博士(信息学MPI)和JulianPanetta教授(加州大学戴维斯分校)领导，生成的3D对象会在所需的时间函数中溶解，从而以受控方式释放其内容。通过巧妙地结合数学建模、实验设置和3D打印，该团队可以打印3D形状，在药物溶解时输送一定数量的药物。这可用于通过口服给药设定预定的药物浓度。

由于在消化道摄入后不可能受到外部影响，因此所需的时间依赖性药物释放必须由样品的形状(溶解的活性表面)产生。通过一些努力，可以根据给定的几何形状计算随时间变化的溶出度。例如，对于球体，它与减小的球面严格成比例。

研究团队提出了一种正向模拟，基于物体一次溶解一层的几何直觉。然而，从业者最感兴趣的是首先定义所需的释放，然后找到根据该释放曲线溶解的形状。即使使用这种有效的正向模拟，为所需药物方案找到合适的三维形状的逆向工程也存在很大困难。

这就是拓扑优化(TO)的应用所在：正向模拟被反转以找到具有特定属性的形状。TO最初是为机械部件开发的，同时获得了广泛的应用。该团队率先提出逆向设计策略，基于拓扑优化从发布行为中寻找形状。溶出度通过实验验证：测得的释放曲线非常接近所需值。

在实验装置中，物体是使用基于灯丝的3D打印机打印的。然后通过相机系统评估溶解，即实际测量，而不仅仅是通过数学模型计算。为此，光学记录溶剂的透光率。与迄今为止常用的直接确定活性成分浓度(例如通过滴定)的测量方法相比，这种方法设置起来更快、更简单。顺便说一句，用于测量活性成分密度的光学方法已经使用了很长一段时间：当葡萄被捣碎酿造葡萄酒时，葡萄汁的糖含量(Öchsle)由折光法测定。

逆向设计方法还可以结合不同制造系统的不同可制造性约束。例如，它可以被修改以生成挤压形状，因此不会妨碍大规模生产。除了所讨论的制药应用之外，进一步的可能性包括生产催化体甚至粗粒肥料。

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