2022药物3D打印行业报告.pdf
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1、12摘要3D打印技术又被称为增材制造技术,它基于计算机构建的数字模型,通过“分层打印,逐层叠加”的方式生产制造三维实体。3D打印技术的发展为机械制造、航空航天、建筑和医疗等领域提供了新的设计思路和制造手段。目前,3D打印技术已应用于制药行业,将使得设计、制造和使用药物的方式产生革命性转变。对于药物设计和开发,3D打印技术可灵活设计药物内部三维结构进而控制药物释放,提高开发效率和成功率。对于药物制造,药物3D打印工艺简单,具有“一步成型”的优势,连续化生产方式在成本效益和提高生产力方面均具有优势。对于药物使用,药物3D打印技术使个性化用药成为可能,通过为每位患者个体单独设置剂量或定制复方药物,提
2、高用药安全性和依从性。沙利文谨此发布药物3D打印行业报告,旨在分析全球药物3D打印行业发展现状、行业特点及发展趋势。本报告对四大类药物3D打印技术中的六种代表性药物3D打印技术进行多维度分析,阐明了每种技术的优势与劣势,结合文献和专利数据库,反映了技术发展的变革和未来趋势,并梳理了药物3D打印行业相关政策,回顾了在技术突破和商业化方面具有影响力的事件,旨在反映出药物3D打印行业整体的发展动向。药物3D打印技术驱动制药产业范式跃迁纵观制药发展史,新药开发经历了植物药、化学药和生物药不同研发和制造阶段。1828 年有机化合物尿素合成,驱动药物开发从“传统提取”向“化学合成”跃迁,开启现代制药产业,
3、诞生了辉瑞、默沙东、罗氏、GSK、诺华、BMS、艾伯维一批最早制药企业。20 世纪 60 年代,分子生物学、高通量筛选技术的突破,基于靶点的制药研究以及生物制剂开始兴起。2000年人类基因组草图的“破解”,药企进入转化医学与精准医疗时代。2010 年之后AI技术的出现,引发新药筛选与开发的模式变革。药物的开发和生产是一个严格且漫长的过程,整体而言,制药领域颠覆性技术的诞生与迭代相对缓慢。如今,3D药物打印技术进入视眼,成为新的“奇点”,驱动着新药开发创新链环节上固体制剂开发的“范式跃迁”,凭借数字化、个性化的制造方式,为占据药物市场半壁江山的固体制剂的发展注入新动力和新模式。药物3D打印两大商
4、业化方向:规模化生产与个性化制药药物3D打印技术主要包括规模化生产和个性化制药两大商业发展方向。规模化生产沿用了当前药物申报的模式,美国制药公司Aprecia上市了全球第一款3D打印药物Spritam,走通了药物3D打印在规模化生产方向商业化的道路。三迭纪的3D打印药物T19和T20也先后于 2021 年、2022 年获得美国FDA的临床试验批准(IND),标志着基于热熔挤出沉积的新兴药物3D打印技术获得法规认可。个性化制药方面,由于3D打印技术在调节药物剂量、药物组合和生产方式上具有灵活性,可根据患者个体需求确定最适合患者的给药剂量和给药形式,进行药物的定制化生产,有望实现个性化治疗。目前这
5、一方向尚未建立完善的政策法规体系,未来随着个性化制药指导原则及法规的积极探索,这一方向应用会迅速扩增。药物3D打印未来可期,将推动制药智能化药物3D打印构建了数字化制药的基础,推动药物生产流程连续自动化,提升药物开发效率及成功率,其与大数据、人工智能等技术相结合,利用药物在研发和生产过程中产生的大量数据反馈和优化整个流程,可进而实现智能制药。3工业时代背景下3D打印技术的演化-063D打印药物与传统药物的对比-073D打印技术在制药领域的优势-08第一章 药物3D打印概述药物3D打印技术概览-10药物3D打印技术介绍热熔挤出沉积 MED-11熔融沉积成型 FDM-13半固体挤出 SSE-15粉
6、末粘结 PB-17选择性激光烧结 SLS-19光固化成型 SLA-21第二章 药物3D打印技术盘点药物3D打印行业发展历程及现状-23药物3D打印行业相关政策-25药物3D打印行业发展趋势-26第三章 药物3D打印行业现状及发展趋势药物3D打印全球格局-28药物3D打印行业的代表性公司-29第四章 药物3D打印全球格局目录4目录药物3D打印技术应用市场规模-35文章数据趋势-36专利数据趋势-37代表性企业专利情况分析-38第五章 行业数据洞察药物3D打印领域有影响力的事件技术突破-40商业化-41第六章 盘点药物3D打印领域有影响力的事件参考文献-42法律声明-46药物3D打印代表性公司介绍
7、规模化生产方向-30个性化制药方向-3256工业时代背景下3D打印技术的演化3D 打印技术介绍3D打印技术也称为增材制造技术,是在计算机程序控制下,根据物体的三维立体数字模型,将金属、高分子、黏液等可黏合材料通过“分层打印,逐层叠加”的方式直接制造出三维实体。与传统制造技术相比,3D打印能够减少复杂的工艺流程,以较高的生产效率制造出具有特殊外型或复杂内部结构的物体。3D打印在复杂物件设计制造方面具有成本和效率的优势,近年来在机械制造、航空航天、建筑、医疗等领域应用逐渐广泛。在医疗领域,3D打印技术已应用于药物以及医疗器械的开发和制造。药物3D打印技术的发展历程在工业发展的历史长河中,3D打印技
8、术的核心思想最早起源于 19 世纪末的照相雕塑技术和地貌成形技术。直到上世纪 80 年代,光固化成型、熔融沉积成型、选择性激光烧结、粉末粘结等各类3D打印技术如同雨后春笋般的出现,各类3D打印设备也相续面世。1996 年,MIT的Michael J.Cima教授首次报道了粉末粘结3D打印技术可应用于制药。同年,全球第一家药物3D打印公司Therics在美国成立,药物3D打印行业由此起步。2015 年,全球第一款3D打印药物Aprecia公司的Spritam获得美国FDA批准上市,标志着3D打印这种新兴技术正式进入药物开发和生产领域,并获得监管部门的认可。2021 年,中国的药物3D打印公司三迭
9、纪自主研发的首款药物产品T19获得美国FDA的新药临床批准(IND),成为全球第二款进入注册申报阶段的3D打印药物产品。除了Aprecia和三迭纪之外,大型跨国药企德国默克也开始布局通过选择性激光烧结3D打印技术开发可商业化的药物,目前处于3D打印技术开发阶段。1900198019963D打印技术的核心思想最早起源于 19 世纪末的照相雕塑技术和地貌成形技术19873D Systems公司推出世界第一台基于光固化成型技术的打印机SLA-11996Z Corporation 在 获 得 MIT 专 利US5204055许可后,推出了基于粉末粘结原理的打印机Z4021991Stratasys公司推
10、出世界第一台基于熔融沉积成型技术的3D打印机1992DTM公司推出世界第一台基于选择 性 激 光 烧 结 技 术 的 打 印 机Sinterstation 2000萌芽期药物3D打印技术发展期图 1:3D 打印技术的应用建筑机械制造航空航天医疗至今牙种植体手术工具类器官制药图 2:药物 3D 打印技术的发展历程3D打印技术兴起期1996全球第一家药物3D打印公司Therics在美国成立2016三迭纪推出第一台基于热熔挤出沉积技术的药物3D打印机2021全球第二款3D打印药物三迭纪的T19 IND获得FDA批准2022三迭纪推出世界第一条MED 3D打印药物自动化、连续化生产线20033D打印药
11、物公司Aprecia在美国成立2011Aprecia公司3D打印制药生产线在新泽西州开始运营2015全球第一款3D打印药物Spritam获得FDA批准上市7外观精准控制药物释放能力生产每片药物成本制剂开发时长设计复杂结构制剂潜能按需制造潜能个性化制药潜力传统药物胶囊填充胶囊压片工艺药片3D打印药物材料挤出成型满意的形状和表面粘合剂喷射成型不规则表面粉末床熔融成型不规则表面3D打印药物与传统药物对比低高3D打印药物与传统药物对比固体剂型主要为片剂和胶囊,传统制药工艺能够以较低成本生产片剂药物,然而开发剂型则需较长时间,而药物3D打印技术凭借其高度灵活性能够大大缩短制剂开发所需的时间,其中基于材料
12、挤出成型的3D打印技术具有可精准控制药物释放、开发制剂时间短、以及能够很好实现复杂结构剂型设计、按需制造和个性化制药的特点,在制药领域发展潜力大。图 3:3D打印药物与传统药物多维度对比长短来源:公开资料整理,沙利文分析8案例:三迭纪获得FDA IND批准的T20产品,利用独创的剂型结构,使药物在正确的时间,以正确的剂量递送到正确的胃肠道部位,为高难度制剂技术药品开发提供解决方案传统制药技术不具备良好的微观精确控制与空间精准调控能力,而药物3D打印是基于计算机模型的数字化生产技术,可以通过打印材料的选择、模型的设计和工艺参数的调节来控制药物的外观形状和内部结构,从而更好地控制药物释放周期、释放
13、位置及释放速率,进而解决多种临床需求。精准控制药物释放,满足多种临床需求1Title灵活调控药物特性精准控制药物释放满足多种临床需求外观硬度结构纯度溶解性剂量形状案例:跨国药企默克将药物3D打印技术应用于加速临床试验,数据预测在临床I-III期,制剂开发时间减少60%,制备药物所需的原料药减少50%生产流程简洁,按需制造潜力大3传统制药工艺流程复杂,而药物3D打印具有“快速成型”的特点,生产流程简洁,且3D打印药物所需的生产设备比传统制药设备要小得多,可实现按需生产,在大规模和小规模药物生产中均有显著优势。大规模药物生产 生产步骤少,生产过程连续化、数字化,且可根据需求灵活定义批次,能够有效提
14、高生产效率小规模药物生产 如应用于制备临床试验用药,可灵活且快速生产出不同成分或剂量的药物,以加速筛选出有效的候选药物,提高研发效率,降低新药研发成本传统制药3D打印图 4:传统药物与3D打印药物生产流程对比图 5:药物3D打印技术用于加速临床试验制剂开发时间制备药物所需原料药节省时间减少成本50%40%3D打印技术在制药领域的优势凭借高度灵活性,可实现个性化制药2相同的病症出现在不同人身上,需给予不同剂量的药物,但目前药物的剂量是标准化的,患者往往需靠掰开药片的方式获得所需的剂量,这样不仅不准确,还会破坏某些特殊结构,导致失去原有的释放特性,甚至还可能导致不良反应。与传统制药工艺相比,药物3
15、D打印具有高度的灵活性,可根据患者的性别、年龄、体重、疾病程度等信息,定制最适宜患者的给药剂量或给药方式,这在儿童和老年等特殊人群用药方面优势显著。案例:枫糖尿症(MSUD)是一种代谢紊乱疾病,通常给药剂量需根据年龄、体重以及亮氨酸,异亮氨酸和缬氨酸的血液水平严格的调整。FabRx公司曾为MSUD患儿制备个性化药物,研究性临床试验结果表明与标准疗法相比,3D打印药物能够更好控制目标血液浓度,且味道和颜色患者接受度高儿童群体老年群体需求:成长中需不同剂量药物解决方案:定制剂量、口味、形状提高用药安全性和依从性需求:通常需要服用多种药物解决方案:定制个性化复方制剂,提高用药依从性研磨混合制粒润滑压
16、片包衣混合打印成型910药物 3D 打印技术分类按照美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials,ASTM)F42 增材制造技术委员会的分类标准,3D打印技术可分为 7 类:材料挤出成型技术(Material Extrusion)、粘合剂喷射成型技术(Binder Jetting)、粉末床熔融成型技术(PowderBed Fusion)、光聚合固化技术(VAT Photopolymerization)、材料喷射成型技术(Material Jetting)、直接能量沉积技术(Directed Energy Deposition)和薄膜层
17、积技术(Sheet Lamination)。其中,材料挤出成型技术、粘合剂喷射成型技术、粉末床熔融成型技术和光聚合固化技术这 4 大类3D打印技术被应用于制药领域。下图总结了这 4 大类药物3D打印技术中的 6 种代表性技术(热熔挤出沉积、熔融沉积成型、半固体挤出、粉末粘结、选择性激光烧结和光固化成型)的特点、实现药物剂型结构设计的难易和对应代表性的公司及研究机构。3D打印技术分类代表性技术特点代表性公司材料挤出成型(Material Extrusion)热熔挤出沉积(MED)高精度打印材料普适无需后处理数字化药物开发和生产1熔融沉积成型(FDM)预制含药线材2-3打印材料局限载药具有局限性半
18、固体挤出(SSE)剂量调整灵活,适合个性化制药打印总时长较长需干燥固化后处理4粘合剂喷射成型(Binder Jetting)粉末粘结(PB)载药量大粉末回收较难适合速释控释制剂难2,5-6Aprecia粉末床熔融成型(Powder Bed Fusion)选择性激光烧结(SLS)适合打印简单药片供临床研究粉末回收较难7光聚合固化(VAT Photopolymerization)光固化成型(SLA)较高精度适合做微针5,8来源:ASTM International Technical Committee F42 on Additive Manufacturing Technologies,沙利文分
19、析图 6:药物3D打印技术分类药物3D打印技术概览11热熔挤出沉积(Melt Extrusion Deposition,MED)药物3D打印技术 MED 图 7 I MED 工艺原理API辅料热熔挤出沉积简介MED 技术是将热熔物料挤出、沉积在打印平台上的技术。在药物制备过程中,先将活性药物与辅料按照预设比例加入到进料装置中,通过对混合物材料进行加热混匀熔融,使其形成具有流动性的熔融体,然后将它们传送到精密的挤出装置中挤出,最后,熔融物料在三维运动平台上按照预先设计好的三维结构层层堆积,制备成药物制剂。应用MED技术作为一种新兴的制药方式,可提供创新药、改良型新药与仿制药的药物设计、开发、生产
20、和供应全链条的解决方案。药物设计改变药物溶解吸收,开发高难度制剂技术的新分子药改变药物代谢动力学,开发更具临床价值的新产品药物开发加速新分子的产品开发过程解决新分子的成药性问题开发高度差异化的改良型新药MED技术应用价值药物供应覆盖不同产量(从罕见病到重磅药)满足不同市场阶段(从增长期到平台期)药物生产保证每片药物产品的质量改变药企的生产管理模式简化法规部门的监管方式图 8 成森平博士图 9 Xiaoling Li教授开发历程及现状热熔挤出沉积MED技术由Xiaoling Li教授发明并申请专利,是3D打印领域一种全新的工艺和技术。2015 年,在中美两国具有创业经历的成森平博士和美国制剂界专
21、家和教育家Xiaoling Li教授于中国共同创立三迭纪。目前,三迭纪已经实现了MED技术的产业化,年产能达到了五千万片,拥有目前全球药物3D打印领域最大的产能。三迭纪推出世界首台高通量MED 3D打印药物生产系统2018三迭纪成功研发第二代中试规模3D打印机2017三迭纪基于MED技术开发了第一代桌面研发用3D打印机2016三迭纪推出世界第一条MED 3D打印药物自动化、连续化生产线2022全球第二款3D打印药物产品T19获得FDA IND批准2021全球第三款3D打印药物产品T20获得FDA IND批准设备产线产品注册12药物3D打印技术 MED 图 10:MED技术的优势药物开发根据 目
22、 标释 药 行为 设计剂型 结 构和 处 方,变革传统 制 剂开 发 的试 错模式,提 高药 物 开发 的效率和成功率数字 化 制剂 开 发过 程,减少 对 于人 和 经验 的依赖药物设计实 现药 物 释 放时 间、部位、速 率 及 模式 的 精准控制释 药方 式 可 灵活 组 合,便捷实现药物复方药物供应通 过 灵 活 调 控 连 续 生 产时 间 或 自 由 使 用 产 线 中的模块来控制产量覆 盖 不 同 产 品 的 产 量,从 罕 见 病 药 物 到 重 磅 药物满 足 同 一 药 物 不 同 市 场阶 段 的 产 量,从 增 长 期到平台期药物生产简 洁 生 产 工 艺,仅 需3 步
23、,将 药 物 与 辅 料 混匀 熔 融、高 精 度 挤 出和层层沉积成型生 产 过 程 数 字 化、连续化过 程 分 析 可 量 化、可监 测,使 用 PAT(过 程分析技术)MED技术分析MED使用混匀挤出装置,可有效实现原料药和辅料粉末的混合、熔融和输送,为连续化进料和打印提供了可能;使用精密挤出装置可实现高精度打印;并通过多个打印站协同打印和打印头阵列等创造性的工程学技术手段,利用多材料构建药物复杂的内部三维结构并实现高效率、高通量的规模化生产,这解决了FDM、SSE等同样基于材料挤出成型原理的3D打印技术在药物制备上的不足。迄今,MED是固体制剂领域适用最广泛和最具临床应用价值的药物3
24、D打印技术。通过打印设备的特殊设计,实现了打印的高精度,药片质量偏差小于 1%。打印精度通过设置合适温度使得物料具有半流动性即可打印,打印头的温度范围为 25-250。打印温度具有丰富的打印材料的选择,且满足市面大多数药品规格需求,单个药片规格一般在 300 mg 以内。打印材料和载药三迭纪的工程团队自主研发了适用于药物研发的桌面机,以及适用于工业化大生产的设备产线。打印设备MED这项突破性的技术衍生出了药物结构制剂学这一全新学科,通过药片三维结构设计和所使用的高分子辅料,使得药物产品可以在胃肠道正确的时间、正确的位置释放正确的剂量。药物结构制剂学图 11:MED技术在药物3D打印领域的多维度
25、分析13熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)简介FDM技术是将丝状的热熔性材料通过送丝机构送进热熔喷头,在喷头内被加热融化,在计算机的控制下喷头沿截面轮廓和填充路径运动,将半流动状态的材料按指定的位置挤出并凝固,与周围的材料粘结,逐层构建,形成三维实体。药物3D打印技术 FDM 图 12 FDM 工作原理9 喷头线材输送装置打印物体图 13 Scott Crump应用目前FDM技术在药物3D打印领域的应用主要是个性化制药和加速早期产品开发的方向。其中,FDM在制备片剂和植入剂等固体制剂方面具有独特的优势。片剂:FDM可打印具有不同形状构造的药片,通过选择不
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- 2022 药物 打印 行业 报告
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