پروژۀ ساخت داروهای کپسول‌شده با پرینتر سه‌بعدی الکتروهیدرودینامیک
روش‌های مختلفی برای مصرف دارو مانند استفاده از آن به‌صورت پودر، قرص و شربت وجود دارد. در ساعات اولیۀ پس از مصرف دارو، بیشترین میزان آزادسازی آن در بدن اتفاق می‌افتد؛ مقداری از این دارو توسط بدن جذب می‌شود و بقیه بدون مصرف باقی می‌ماند. پس از چند ساعت میزان دارو در بدن به‌سرعت افت می‌کند، به‌صورتی‌که مقدار باقی‌ماندۀ آن جوابگوی نیاز بدن نیست و لازم به مصرف مجدد دارو در بازه‌های زمانی مشخص است. این مصرف مداوم کپسول‌ها می‌تواند به بدن و مخصوصاً معده آسیب بزند.
برخی بیماری‌ها نیاز به داروهایی دارند که لازم است به‌صورت هفتگی توسط پزشک متخصص به بیمار تزریق شوند. این فرآیند علاوه بر نیاز به نیروی متخصص و هزینه‌بربودن، برای بیمار دردناک است؛ به‌خصوص بیمارانی که نیاز به تزریق در برخی نواحی مانند زانو را دارند.
با توجه به نیاز صنعت دارو برای ساخت روشی که به کمک آن بتوان فرآیند آزادسازی دارو در بدن را کنترل کرد، ما پروژۀ ساخت داروهای کپسول‌شده با پرینتر سه‌بعدی الکتروهیدرودینامیکرا آغاز کردیم. در این روش، دارو به‌صورت کره‌های کوچک در ابعاد چند ده میکرونی درآوردهمی‌شود و در بافت پلیمری که به‌واسطۀ تجزیه‌پذیری به بدن آسیبی نمی‌رساند، به دام می‌افتد در نهایت این کره‌ها در یک سیال حل می‌شوند و به بیمار تزریق می‌شوند.
یکی از مزیت‌های این روش، طولانی‌تربودن فاصلۀ زمانی مورد نیاز برای مصرف مجدد دارو توسط بیمار است. با ورود کرۀ پلیمری به بدن، سطح روی آن در اثر تماس با آب و رطوبت بدن،تجزیه و جذب بدن می‌شود. بهینه‌ترین شکل برای کپسوله‌کردن دارو، کره است؛ چراکه دارایمساحت سطح بیشتری نسبت به شکل‌های دونات و استوانه است و همچنین به‌صورت همگن کوچک می‌شود.
به‌دلیل ابعاد کوچک کره‌ها و نیاز به کنترل دقیق اندازۀ قطر آنها، ساخت این کپسول‌های کرهایشکل به‌صورت یکنواخت و یکسان، آن هم به تعداد میلیونی با پرینتر سه‌بعدی معمولیاز نوع FDM ممکن نیست.
ما در دانشکدۀ مهندسی مکانیک دانشگاه شریف موفق به ساخت یک پرینتر سه بعدی شدیم که توانایی ساخت منظم این کپسول‌های کرهایشکل با قطر بسیار کوچک و ابعاد همگن را دارااست. در حال حاضر نمونه‌های آزمایشگاهی این کپسول‌ها برای بیماری خاصی ساخته شده است و در مراحل بعد باید تست حیوانی انجام بشود تا بتوانیم برای گرفتن تاییدیه تست بالینی اقدام کنیم و در نهایت این محصول را وارد بازار کنیم. مشابه این دارو توسط یک شرکت آمریکایی تولید شده و هر دوز آن با قیمت بالایی به فروش می‌رسد که امیدواریم بتوانیم با تولید این محصول با هزینۀ پایین‌تر، نیازی از کشور را برآورده کنیم.
برای ساخت کره‌ها نیاز به تهیۀ قطره‌هایی با قطر یکسان و کنترل‌شده است که حاوی سه جزء حلال، پلیمر و دارو هستند. قطرۀ سیال توسط پرینتر ایجاد می‌شود و در مرحلۀ بعدی با خشک‌کردن قطره و حذف حلال، به کره‌ای تشکیل‌شده از پلیمر و دارو می‌رسیم. برای ایجاد این قطره‌ها از یک نازل استفاده می‌شود، اما قطرۀ ایجاد شده توسط آن، به‌دلیل وجود پدیدۀکشش سطحی، قطری حدود دو میلی‌متر دارد و بسیار بزرگ‌تر از ابعاد مورد نظر ماست. برایحل این مشکل، به سیال یک میدان الکتریکی قوی با قدرت چند کیلووات داده می‌شود تاقطرۀ بزرگ تبدیل به جت شود، سپس با دادن سیگنال خاصی به این جت، قطره‌های کوچک‌تر ایجاد شده و به اطراف پرتاب می‌شوند. کنترل قطره‌های کوچک ایجادشده و تخلیۀ بار الکتریکی آنها از دیگر چالش‌هایی بودند که با حل‌کردن آنها موفق شدیم نمونه‌های آزمایشگاهی را تهیه کنیم.
پروژۀ ساخت لمینت متحرک با استفاده از پرینتر سه‌بعدی
افرادی که دارای ناهنجاری‌های دندانی مانند کج یا شکسته‌بودن دندانها، زردرنگ‌‌شدن مداوم آنها به‌دلیل جرم‌گرفتن و یا وجود فاصله بین دندآنها هستند، باید فرآیندهای دردناک و هزینه‌بر دندان‌پزشکی را برای رفع این عارضه‌ها پشت سر بگذارند. ایده‌ای که چند سال پیش به ذهنم رسید و حالا تبدیل به کسب‌وکاری کوچک شده است، ساخت روکشی موقت برای دندانهابه اسم لمینت متحرک و با استفاده از پرینتر سه‌بعدی است.
لازمۀ ساخت لمینت متحرک، داشتن یک فایل سه‌بعدی از ساختار فک، دندان و لثه می‌باشد. ابتدابا اسکن‌کردن فضای دهان، فایلی سه‌بعدی از ساختار فک، دندان و لثه تهیه و با توجه به آن طراحی را آغاز می‌کنیم. در مرحلۀ بعدی با استفاده از نرم‌افزار مخصوص طراحی لبخند، تعیین می‌کنیم که آیا نمونۀ طراحی‌شده با سایز دهان و دندان مراجعه‌کننده منطبق است و روکش به‌خوبی روی دندان قرار می‌گیرد یا خیر. یکی از چالش‌هایی که در طراحی روکش با آن مواجه بودیم، نحوۀ قرارگرفتن آن روی دندان بود؛ چراکه روکش نباید خیلی سفت باشد تا فک را اذیت نکند و همچنین نباید به قدری آزاد باشد که بیفتد.
برای ساخت این روکش باید از ماده‌ای زیست سازگار استفاده شود که دارای استحکام مکانیکی کافی است و علاوه بر تردنبودن خصوصیاتی مانند عدم جذب باکتری‌های موجود در دهان، واکنش‌پذیرنبودن، شفافیت و درخشندگی را هم دارا باشد. این ماده، ماده‌ای تماماً پلیمری است که قابلیت پرینت‌پذیری دارد و با توجه به سلیقۀ مشتری، با اضافه‌کردن افزونه‌های خاص می‌توانیم روکش را به رنگ مورد نظر خریدار دربیاوریم.
پس از انتخاب مادۀ مناسب و بهترین روش برای ساخت روکش به کمک پرینتر سه‌بعدی در فاز اول، ساخت ده روکش رایگان را به‌عنوان نمونه آغاز کردیم و با توجه به بازخوردهایی که گرفتیم،اصلاحات لازم را انجام دادیم و کار فروش را از اسفندماه سال ۱۴۰۲ آغاز کردیم. این روش از لحاظ اقتصادی به‌صرفه‌تر از روش‌های رایج دندان‌پزشکی است و در صورت استفادۀ درست،روکش پس از یک سال هم بدون مشکل قابل استفاده است.
درصورتی‌که پس از طراحی روکش تغییری در ساختار دندان‌های فرد ایجاد نشود، برای خریدمجدد محصول، قیمت خیلی کمتری به او پیشنهاد می‌شود چراکه مراحل اسکن و طراحی قبلاًطی شده‌اند.
با پیشرفت تکنولوژی، روش‌های جدیدی برای ساخت ابداع شدند و برخی زمینه‌ها مانند پرینت سه‌بعدی بیشتر مورد توجه قرار گرفتند؛ ما هم فعلاً روی این مورد تمرکز کردیم که خوشبختانه بازار خوبی دارد و کار جدید و لذت‌بخشی است. همچنین برنامه داریم که در زمینۀ پرینت سه‌بعدی فلز که بازار کاری آن با پلیمر متفاوت است هم ورود کنیم.
پرینتر سه‌بعدی در زمینه‌های پزشکی و ساخت ایمپلنت و پروتز، رباتیک و متالوژی هم کاربرد دارد و ما باید تمام تلاش خودمان را بکنیم تا اطلاعات تئوری که در دانشگاه یاد می‌گیریم را کاربردی کرده و وارد صنعت کنیم تا بتوانیم محصولی خلق کنیم.
ما در ایران متخصص‌های حرفه‌ای کمی داریم که کاملاً با کار خود آشنا و بر آن مسلط باشند؛ درصورتی‌که فرد، در هر زمینه‌ای که به دنبال آن می‌رود عمیق شود، فرصت‌های شغلی خوبی در انتظارش خواهد بود. به عقیدۀ من اگر فردی سختی‌های کار صنعتی را هم تجربه کند و بتواند بین مطالب تئوری و تجربه‌ها و مشاهداتی که در طول کار به‌دست آورده است تعادل ایجاد کند، موفق می‌شود.
• لطفاً یک توضیح کوتاه راجع به پروژه لمینت ارائه بفرمایید.
لمینت متحرک، یک روکش دندانی است که به‌صورت موقت و بدون هیچ چسب یا نگهدارنده‌ای روی دندانها قرار می‌گیرد و در واقع شما می‌توانید هر زمان نیاز داشتید آن را روی دندانها قرار داده و بردارید. این محصول نسبت به جنبۀ درمانی بیشتر جنبۀ زیبایی دارد.
• چه شد که تصمیم به کار روی این پروژه گرفتید و برای ورود به بازار محصول چه برنامه‌هایی دارید؟
ما در طرح احمدی‌روشن سال ۱۳۹۹، روی ارتودنسی و الاینرهای1 شفاف به روش مستقیم کار می‌کردیم، اما در اثر برخی مشکلات تصمیم گرفتیم به ساخت لمینت روی بیاوریم.خوشبختانه توانستیم به محصول برسیم و به‌صورت جزئی وارد بازار شویم. همچنین از شرکت در دو نمایشگاه اینوتکس و Iran Health بازخورد‌های خوبی دریافت کردیم و توانستیم مشتری جذب کنیم.
• در پیشبرد پروژه با چه چالش‌هایی مواجه شدید و آیا برنامه‌ای برای گسترش آن دارید؟
یکی از بزرگترین چالش‌هایی که برای پیشبرد روند کار با آن مواجه هستیم، بحث بازاریابی و جذب نیروی کار متخصص و دلسوز است. به‌علاوه ما نباید خودمان را به همینمحصول محدود کنیم و باید کارمان را گسترش دهیم. همچنین قصد داریم کانال‌های فروش متعددی داشته باشیم و از طریق تجهیزات پزشکی و ... هم فروش داشته باشیم.
در آخر به بچه‌ها توصیه می‌کنم که حتماً شروع به کار کنید. البته که مهم است زمینۀ فعالیت چیست و نقطۀ شروع کار کجاست، اما همین شروع‌کردن بخش مهمی از فرآیند پیشرفت است وسبب به‌وجودآمدن ایده‌های جدید و کامل‌ترشدن ایده‌های اولیه می‌شود.
• لطفاً یک توضیح کوتاه راجع به پروژه ارائه نمایید.
پروژۀ ما ساختن میکروکره‌های پلیمری حامل دارو است. در این روش میکروکره‌ای داریم که دارو بین زنجیره‌های پلیمری آن کپسوله شده و هدف این میکروکره رساندن دارو به مقصد خاص مورد نظر ما، با یک سرعت منظم، به‌صورت پیوسته و قابل کنترل است.
این سبک دارورسانی به بافت‌های بیمار مزیت‌های زیادی دارد، از جمله اینکه اثرات جانبی روی بافت‌های سالم را بسیار کم می‌کند و دقیقاً در محل مورد نظر دارو را رها می‌کند؛ به‌علاوه سرعت آزادسازی دارو هم با توجه به خواص پلیمر و کنترل‌کردن ابعاد میکروکره‌ها قابل کنترل است.
تکنولوژی‌ای که ما برای ساخت این میکروکره‌ها به کار می‌بریم، تکنولوژی پرینتر الکتروهیدرودینامیک است که در واقع همان حلقۀ اتصال‌دهندۀ پروژۀ ما به رشتۀ مهندسی مکانیک است. در پرینتر الکتروهیدرودینامیک یک نازل فلزی داریم که سیال از داخل آن عبور می‌کند و با اعمال ولتاژ به آن، در خروجی نازل قطرات ریزی را تولید کنیم. در واقع به‌صورت کنترل‌شده و با اعمال یک فرکانس مشخص و تنظیم ولتاژ و دبی، ذرات با اندازۀ مطلوب را ایجاد می‌کنیم.
• مکانیزم تشکیل میکروکره‌ها به چه صورت است؟
در روشی که ما استفاده می‌کنیم یک نازل فلزی داریم که حاوی محلول سیال و پلیمر و دارومی‌باشد. با ایجاد اختلاف پتانسیل بین نازل و الکترود مرجع که همان زمین است، بین آنهامیدان الکتریکی ایجاد می‌شود که باعث واردشدن نیروی الکتریکی به سیال می‌شود و آن را به ذرات کوچک تبدیل می‌کند.
با کنترل ولتاژ اعمال‌شده به نازل و دبی سیال، به حالت بهینه‌ای می‌رسیم که در آن ذرات تولیدشده، کروی‌شکل و هم‌اندازه هستند و در مسیر حرکت به سمت پایین بخش حلال آنهاتبخیر می‌شود. نهایتاً چیزی که باقی می‌ماند میکروکره‌هایی تشکیل‌شده از پلیمر و دارو است که به‌صورت پودر قابل جمع‌آوری است و می‌تواند به شکل‌های مختلف مورد استفاده قرار گیرد. یک روش استفاده این نوع دارو این است که داخل یک حامل سیالی ریخته شود و به‌صورت یک سوسپانسیون به نقطه‌ای خاص از بدن تزریق گردد.
• چه شد که تصمیم به کار روی این پروژه گرفتید؟
کاربرد اصلی این روش در پرینت ساختارهای ریز، مانند مدارهای چاپی و بافت‌های زیستی است، اما ما در این پروژه از این تکنولوژی برای ساخت میکروکره‌های پلیمری دارورسان استفاده کردیم. مبنای این تکنولوژی استفاده از میدان الکتریکی برای ساخت قطره‌های ریز، به‌صورت کنترل‌شده است که ابعاد این قطره‌ها بین یک تا صد میکرومتر است و بسته به کاربرد دارویی مورد نظر، قابل تنظیم است.
در این روش همۀ ذرات هم‌اندازه هستند که عاملی تاثیرگذار و مثبت در فرآیند دارورسانی و آزادسازی دارو با سرعت منظم و به‌صورت بهینه است. همان‌طور که می‌دانید برخی داروها برای دارورسانی به یک‌سری بافت خاص کاربرد دارند که علاوه بر گران‌قیمت‌بودن، تزریق آنها به بیمار سخت‌‌تر و نیازمند نیروی متخصص است و اثرات جانبی آنها هم زیاد است. اگر بتوانیم برای این کاربردهای خاص از میکروکره‌های دارورسان استفاده کنیم، هم اثرات جانبی را کم می‌کنیم و هم نیاز به تزریق مکرر آن دارو رو کاهش می‌دهیم.
ساخت دارو با استفاده از میکروکره‌ها کاربردهای زیادی در صنعت داروسازی دارد و انگیزۀما از انتخاب این پروژه این بود که ساخت داروها بر مبنای میکروکره‌ها را بومی‌سازی کنیم. البته تکنولوژی‌هایی که برای ساخت داروهای مشابه خارجی به کار رفته لزوماً مشابه تکنولوژی ما نیست، اما روش ما می‌تواند نتیجۀ بهتر و به‌صرفه‌تری در مقایسه با نتایج دریافت‌شده از نمونه‌های خارجی ارائه دهد.
• برای ورود به بازار محصول چه برنامه‌هایی دارید؟
ما سازوکاری برای ساخت نمونه‌های آزمایشگاهی طراحی کرده و ساختیم و به مرور زمان آن رابهبود بخشیدیم تا به سازوکار مشخصی دست یافتیم؛ درنهایت به‌وسیلۀ این سازوکار توانستیم میکروکره‌هایی را با اندازۀ مطلوب و مورد نظرمان یعنی با ابعاد بین ۱۰ تا ۵۰میکرومتر تولید کنیم. تصویر این میکروکره‌ها را با کمک میکروسکوپ الكتروني يا SEMمشاهده کردیم تا از ابعاد و کروی‌بودن ذرات ایجاد شده مطمئن شویم و در مرحلۀ بعدی سرعت تولیدمان را تا حدی بالا بردیم که بتوانیم یک نمونۀ آزمایشگاهی مطلوب برای تست‌های حیوانی آماده کنیم.
این تکنولوژی منعطف است و قابلیت کنترل ابعاد ذره، نوع و مقدار دارو و پلیمری که استفاده می‌شود را دارد. اگر بتوانیم سازوکار آزمایشگاهی را به حالت نیمه‌تجاری و نهایتاً تجاری با نرخ بالای تولید دارو برسانیم، حتماً در بازار موفق خواهیم بود؛ به‌خصوص‌که شرکت‌هایی که در این زمینه کار می‌کنند اکثراً واردکنندۀ دارو هستند و قیمتی که ما برای محصول ارائه می‌دهیم،بسیار پایین‌تر از نمونه‌های مشابه خارجی است.
• در پیشبرد پروژه با چه چالش‌هایی مواجه شدید؟
تکنولوژی مورد استفاده ما، یک تکنولوژی پیشرفته است به همین دلیل تجهیزاتی که می‌توانیمخریداری کنیم محدود و گران‌قیمت هستند. به‌عنوان مثال سطوح نازل باید پوشش‌های خاصیداشته باشند تا فرآیند پرینت‌کردن کنترل‌پذیر باشد یا مشاهدۀ این فرآیند که در مقیاس میکرونی انجام می‌شود، نیازمند لنز‌های قوی با قابلیت بزرگنمایی کافی است که گران هستند و به‌راحتی در ایران یافت نمی‌شوند.
• آیا برنامه‌ای برای گسترش پروژه دارید؟
همان‌طور که اشاره کردم برای گسترش پروژه، پس از رسیدن به محصولِ نمونۀ آزمایشگاهی برای داروی تست و چک‌کردن موفقیت‌آمیزبودن فرآیند، باید سازوکارمان را به حالت نیمه‌تجاری و نهایتاً تجاری تبدیل کنیم و به ساخت داروهای متفاوتی بپردازیم که برای بیماری‌های حساس‌تری مانند سرطان کاربرد داشته باشند.
فاطمه بیات-ورودی ۱۳۹۸ مکانیک
فاطمه سادات موسوی نیا-ورودی ۱۴۰۰ مکانیک
