如果您看到形状不寻常的药丸，请不要感到惊讶。它们看起来很滑稽，但它们可以在体内以可控的方式释放药物。结合使用先进的计算方法和 3D 打印，可以生产以特定方式溶解在液体中的物体。来自萨尔布吕肯马克斯普朗克计算机科学研究所和加州大学戴维斯分校的一组计算机科学家开发了一种方法，在该方法中，物体的形状单独决定了活性物质的时间控制释放。这应该会对制药行业产生影响，该行业最近一直非常关注 3D 打印。
看起来很疯狂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！
控制患者体内的药物水平是药物治疗的重要组成部分。在静脉输液的情况下，血液中的浓度由滴速乘以输液中药物的比例确定。例如，可以通过首先给予高剂量然后以较小的剂量维持它来实现恒定的药物水平。然而，在口服给药的情况下，这种制度更难确保。一种想法是在难以制造的不同部位使用具有不同药物浓度的多组分和多材料结构。3D打印的巨大进步及其生产复杂形状的能力，另一方面，作为一种可行的选择，可以生产出载体材料中生化成分恒定分布的自由形态医药产品。使用此类药物，释放完全取决于几何形状，这更容易确保和控制。
在 Vahid Babaei博士（计算机科学专业的 MPI）和 Julian Panetta 教授（加州大学戴维斯分校）研究里，3D对象的产生溶解在所需的时间函数中，从而以受控的方式释放其内容。通过数学建模、实验设置和 3D 打印的巧妙结合，该团队可以 3D 打印形状，在溶解时释放定时数量的药物。以这种方式，可以为口服给药设定预定的活性物质浓度。
由于在消化道摄入后不可能受到外部影响，因此活性物质所需的时间依赖性释放必须由测试体的形状（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释放。例如，对于球体，它与球体表面积的减少成正比。研究团队传播基于几何直觉的前向模拟，使对象逐层解析。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式。即使有了这种高效的正向模拟，逆向工程与确定所需药物方案的适当三维形状的显着困难相关。
这就是拓扑优化 (TO) 的用武之地：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，现在已经有了广泛的应用。该工作组率先提出逆向设计策略，基于拓扑优化从释放行为中寻找形状。溶出度在实验的帮助下得到验证：测得的释放曲线非常接近所需值。
在实验装置中，物体是用灯丝3D打印机打印的。然后使用相机系统评估对象的分辨率，即它是实际测量的，而不仅仅是使用数学模型计算的。为此，光学记录溶剂的透光率。与直接测定活性成分浓度（例如通过滴定）的常用测量方法相比，这种方法设置起来更快、更容易。顺便说一句，测量活性成分浓度的光学方法已经使用了一段时间：当葡萄被捣碎酿造葡萄酒时，葡萄汁的糖含量 (Öchsle) 由折光仪测定。
逆向设计方法还可以考虑到不同制造系统的不同可制造性约束。例如，可以对其进行修改以生产可挤压的形状，从而不妨碍大规模生产。除了所讨论的制药应用之外，催化剂体甚至粗粒肥料的生产也是可以想象的。
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