Nhu cầu ngày càng tăng đối với các chế phẩm dược và thiết bị y tế được cá thể hóa đã khiến vai trò của công nghệ sản xuất bồi đắp (additive manufacturing) gia tăng nhanh chóng trong những năm gần đây. Công nghệ in 3D đã trở thành một trong những công cụ mang tính cách mạng và đầy tiềm năng, đóng vai trò là công nghệ chế tạo chính xác các dạng bào chế được thiết kế riêng cho từng cá thể, các cấu trúc trong kỹ thuật mô cũng như các mô hình bệnh học.

Những thành tựu hiện nay bao gồm các hệ dẫn thuốc đa chức năng với đặc tính giải phóng nhanh, các dạng bào chế có liều dùng điều chỉnh và cá thể hóa, các implant và mô hình (phantom) phù hợp với giải phẫu cụ thể của từng bệnh nhân, cũng như các vật liệu dựa trên tế bào phục vụ cho y học tái tạo.

Các kỹ thuật in 3D hiện đang được phát triển được mô tả ngắn gọn, đồng thời bài viết cung cấp phân tích toàn diện về các phương pháp dựa trên đùn ép (extrusion-based methods) – nhóm kỹ thuật đang được nghiên cứu chuyên sâu và rộng rãi nhất. Vấn đề về các đặc tính của “printlet” (sản phẩm in 3D), cụ thể là hình dạng và kích thước, được trình bày trong mối liên hệ với việc sản xuất các dạng bào chế cá thể hóa và thiết bị y tế.

Những lợi ích rõ rệt của công nghệ in 3D được nhấn mạnh; tuy nhiên, bài viết cũng đưa ra góc nhìn phê phán dựa trên các hạn chế và thách thức hiện tại của công nghệ sản xuất bồi đắp.

Luôn tồn tại động lực thúc đẩy việc phát triển các khái niệm mới trong thiết kế thuốc, nâng cao hiểu biết về đặc tính của vật liệu, cũng như công nghệ và quy trình sản xuất nhằm đảm bảo chất lượng cao cho các dạng bào chế. Sự đa dạng về các đặc tính lý – hóa và sinh dược học của dược chất (active pharmaceutical ingredients – APIs) cần được xem xét và nghiên cứu xuyên suốt từng giai đoạn của quá trình phát triển sản phẩm. Các tá dược cũng cần được đánh giá đầy đủ nhằm đảm bảo khả năng sản xuất dạng bào chế mong muốn.

Trong thập kỷ vừa qua, phát triển sản phẩm thuốc lấy bệnh nhân làm trung tâm (patient-centric drug product development) đã nhận được sự quan tâm đáng kể. Hướng tiếp cận này tập trung vào các dạng bào chế mới và các quy trình công nghệ tiên tiến. Nhu cầu ngày càng tăng đối với các thiết bị được cá thể hóa, kết hợp với sự phát triển mạnh mẽ của đổi mới công nghệ, đã thúc đẩy những bước tiến lớn trong y học cá thể hóa, thể hiện qua việc sản xuất các lô nhỏ với liều dùng được lựa chọn riêng cho từng cá nhân và các bộ phận giả được thiết kế riêng nhằm đáp ứng yêu cầu giải phẫu của bệnh nhân. Trong số nhiều đột phá được đưa vào thị trường dược phẩm và y sinh, công nghệ in ba chiều (three-dimensional printing, 3DP) được xem là một trong những công nghệ mang tính cách mạng và đầy tiềm năng nhất. Kỹ thuật này được công nhận như một công cụ linh hoạt cho chế tạo chính xác nhiều loại sản phẩm, đóng vai trò là công nghệ để phát triển các dạng bào chế mới, kỹ thuật mô và cơ quan, cũng như mô hình hóa bệnh học.

Ngày nay, công nghệ in ba chiều (three-dimensional printing) là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất, giao thoa giữa công nghệ, nghệ thuật và khoa học, đồng thời không ngừng mở rộng phạm vi ứng dụng. Thuật ngữ “in ba chiều” được Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế (International Organization for Standardization – ISO) định nghĩa là: “quá trình chế tạo các đối tượng thông qua việc lắng đọng vật liệu bằng đầu in, vòi phun hoặc các công nghệ in khác”.

Khác với các phương pháp sản xuất truyền thống như gia công cắt gọt (subtractive manufacturing) và tạo hình (formative manufacturing), kỹ thuật này thuộc nhóm công nghệ sản xuất bồi đắp (additive manufacturing – AM), trong đó các chi tiết được tạo ra từ dữ liệu mô hình 3D thông qua quá trình kết dính vật liệu theo từng lớp liên tiếp. Cách tiếp cận thực tiễn của AM được gọi là tạo mẫu nhanh (rapid prototyping – RP), với các ưu điểm bao gồm rút ngắn thời gian và chi phí tạo mẫu, dễ dàng chỉnh sửa sản phẩm ngay ở giai đoạn thiết kế, khả năng sản xuất các đối tượng có kích thước nhỏ, các loạt sản phẩm cá thể hóa, cũng như các cấu trúc phức tạp không thể tạo ra bằng các kỹ thuật gia công cắt gọt truyền thống.

Mặc dù tồn tại sự đa dạng về các phương pháp in 3D (3DP), quá trình chế tạo một đối tượng in 3D nhìn chung bao gồm một số giai đoạn cơ bản sau:

• Thiết kế đối tượng 3D bằng phần mềm thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (computer-aided design – CAD) và tối ưu hóa hình học của đối tượng theo các thông số kỹ thuật của máy in;
• Xuất mô hình 3D sang các định dạng tệp phổ biến và được máy in nhận diện, chẳng hạn như STL – định dạng chỉ chứa thông tin hình học 3D dưới dạng dữ liệu vị trí của từng đỉnh, hoặc OBJ – định dạng ngoài thông tin hình học còn mã hóa thêm dữ liệu về các mặt đa giác hoặc kết cấu màu;
• Nhập tệp vào phần mềm in và tiến hành tạo các lớp (slicing) sẽ được in; chiều cao của mỗi lớp in có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng bề mặt của sản phẩm in cũng như tổng thời gian in;
• Chế tạo đối tượng thông qua việc lần lượt phủ (hoặc làm rắn) các lớp vật liệu theo trình tự, phù hợp với phương pháp in cụ thể được sử dụng.

Nguyên lý của các phương pháp dựa trên đùn ép

Công nghệ đùn nóng chảy (hot melt extrusion – HME) cũng như đùn các vật liệu bán rắn đã là những quy trình được thiết lập vững chắc trong lĩnh vực công nghệ dược phẩm. Sự gia tăng nhanh chóng về mức độ phổ biến của các phương pháp in dựa trên giải pháp kỹ thuật này có liên quan chặt chẽ đến việc ngày càng dễ tiếp cận các thiết bị có kích thước nhỏ gọn và chi phí tương đối thấp. Về cơ bản, có thể phân biệt hai chế độ in chính:

• Đùn các vật liệu bán rắn hoặc bán nóng chảy (như gel, hồ, paste) ở nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ cao hơn;
• Đùn vật liệu nhiệt dẻo nóng chảy dạng thanh (filament).

Trong cả hai chế độ, vật liệu được đùn qua đầu phun và được trải thành các lớp liên tiếp trên bề mặt bàn in. Kích thước xác định của đường in được tạo ra bởi khoảng cách giữa đầu in và bàn in, đồng thời chịu ảnh hưởng của đường kính lỗ đầu phun. Hai thông số này, cùng với tốc độ in, có tác động trực tiếp đến chất lượng của đối tượng in. Lớp tiếp theo được tạo ra khi đầu in hoặc bàn in dịch chuyển theo trục Z với một khoảng tương ứng với chiều cao lớp in. Giải pháp công nghệ của các máy in 3D phụ thuộc vào loại vật liệu in được sử dụng.

Người dịch: Nguyễn Sỹ Nguyên.

Người duyệt: Nguyễn Thị Thùy Trang.

Dịch từ trang: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6061505/