激光粉末床融合3D打印中药物制剂的回收效应：物理现象对打印性能的影响

本研究针对激光粉末床融合(LPBF)3D打印技术在制药应用中面临的粉末回收难题，系统评估了三种常见药用聚合物（PVA、PVPVA和MAEA）的循环利用性能。研究人员通过10次打印循环实验，发现PVA和MAEA基配方分别可循环5次和9次而不影响片剂关键质量属性，而PVPVA配方因粒径逐渐增大导致片剂重量下降。该研究为个性化药物制造的可持续发展提供了重要数据支持，发表于《International Journal of Pharmaceutics: X》。

　　

在个性化医疗快速发展的今天，传统制药技术难以满足剂量灵活调整的需求。激光粉末床融合(LPBF)3D打印技术因其数字化生产特性，被视为实现个性化给药的重要突破口。然而这项技术在制药领域的应用面临一个关键挑战：打印过程中产生的大量未烧结残余粉末如何回收利用？这不仅关乎经济效益，更直接影响该技术的可持续性发展。目前工业上对工程塑料PA12的回收已有成熟方案，但药用聚合物的回收性能仍是未知领域。

为解答这一关键问题，来自荷兰乌得勒支大学的研究团队在《International Journal of Pharmaceutics: X》发表了创新性研究。他们选取三种具有代表性的药用聚合物——聚乙烯醇(PVA)、共聚维酮(PVPVA)和甲基丙烯酸-丙烯酸乙酯共聚物(MAEA)，系统评估其在LPBF打印中的循环利用性能。这三种聚合物结构差异显著：PVA是亲水性结晶聚合物，PVPVA是无定形聚合物，而MAEA是pH敏感型肠溶材料，为研究提供了广泛的技术覆盖面。

研究采用两种不同激光系统（CO₂激光和蓝色二极管激光）的打印机进行对比实验。通过10次打印循环，每次收集粉末和片剂样本，综合运用激光粒度分析、粉末流变学测试、差示扫描量热法(DSC)、热重分析(TGA)等技术，全面监测材料老化现象。

3.1 Sharebot SnowWhite2研究结果

研究首先通过扫描电镜(SEM)揭示了三种聚合物不同的熔融行为：PVA形成明显的固体桥接结构，PVPVA完全熔融成大片固体区域，而MAEA则形成细微的桥接结构。这种形态差异直接影响片剂的孔隙率和机械强度。

3.1.1 聚乙烯醇(PVA)

PVA配方在6次循环后因拖拽和翘曲问题失效。有趣的是，首次循环后粉末水分含量从3.5%降至2.0%，导致玻璃化转变温度(T_g)升高，粉末内聚指数从34降至22，显著改善了层铺均匀性。这种"干燥效应"使片剂重量从首轮的156mg增至次轮的169mg，抗张强度同步提升。

3.1.2 共聚维酮(PVPVA)

PVPVA表现出独特的老化行为：粉末在100°C床温下缓慢烧结，导致Dx50粒径从46.5μm增至51.6μm。根据Herring尺度定律，较大颗粒的表面能降低，使得激光能量穿透时融合效率下降，最终导致片剂高度从5.56mm降至5.14mm，重量逐渐减少。这种"热致团聚"现象说明PVPVA在当前参数下不适合循环使用。

3.1.3 甲基丙烯酸酯共聚物(MAEA)

MAEA展现出最佳的循环稳定性，10次循环后仍保持性能。与PVA类似，首次循环后水分减少使T_g升高，片剂重量从169.8mg降至156.0mg。Williams-Landel-Ferry方程解释了这一现象：T_g升高导致熔体粘度增加，降低了颗粒聚结效率。但此后各循环参数保持惊人稳定，标准偏差仅3.3%。

3.1.4 粉末更新实验

添加50%新鲜粉末后，MAEA片剂重量反而不理想地增加，偏离了稳定的"老化状态"。这表明简单的粉末更新可能破坏已建立的平衡，建议采用预调理策略保持水分恒定。

3.2 打印机硬件考量

研究发现CO₂激光系统(SnowWhite2)比蓝色激光系统(Kit)产生更稳定的结果，标准偏差低2-5%。但CO₂激光的广泛吸收特性限制了配方设计的灵活性，而蓝色激光配合色素可以实现更精确的能量控制。

这项研究打破了工程塑料PA12的老化范式，证明药用聚合物的老化主要由物理变化（粒径、水分、T_g）驱动，而非PA12典型的化学降解。特别是MAEA表现出的卓越稳定性，为开发可持续的个性化制药工艺提供了理想候选材料。研究强调必须将粉末老化特性纳入制剂开发考量，这对推动LPBF技术在制药领域的工业化应用具有里程碑意义。