Optimization of semisolid extrusion-based 3D printing process for drug delivery application

Abstract

A impressão 3D é uma tecnologia emergente e revolucionária no setor da indústria farmacêutica, possibilitando a personalização de formas farmacêuticas complexas. Embora promissora, a sua implementação enfrenta desafios técnicos e regulamentares rigorosos. Este trabalho de campo teve como objetivo a otimização dos processos de impressão 3D por um método de extrusão semissólida, avaliando-se os parâmetros críticos inerentes às diferentes etapas do processo de impressão de uma formulação hidrofílica e outra lipofílica. Neste sentido recorreu-se a testes reológicos (viscosidade e oscilatório) para identificar a temperatura ideal de extrusão. Paralelamente, ensaios de extrudabilidade foram realizados para compreender a influência de diferentes diâmetros de ponteiras na pressão necessária para extrudir a formulação. Para validar a pressão e a velocidade de impressão, ensaios de fluxo e o teste das linhas foram analisados. Por fim, pensos quadrados com diversos padrões internos foram impressos e a sua uniformidade de massa foi determinada como parâmetro crítico de qualidade. Os dados reológicos permitiram inferir sobre o comportamento do fluxo das formulações. Contudo, testes complementares de extrudabilidade revelaram-se essenciais para validar as temperaturas ótimas de impressão (42 °C para a formulação hidrofílica e 43 °C para a formulação lipofílica). A análise de textura revelou que as forças de extrusão variam de acordo com a ponteira utilizada, refletindo a pressão necessária para iniciar o processo de extrusão. Os principais parâmetros críticos, como a velocidade de impressão, a pressão aplicada e o diâmetro interno da ponteira foram sistematicamente controlados e otimizados durante a impressão, uma vez que têm impacto sobre o fluxo de extrusão e, consequentemente, sobre as dimensões e consistência do filamento. A validação final de todo o controlo de qualidade foi alcançada por meio da análise da uniformidade de massa, demonstrando conformidade com os limites estabelecidos na Farmacopeia Portuguesa 9.0 para formas farmacêuticas unitárias. No geral, estes testes foram relevantes para a otimização do processo e devem ser incluídos em futuros protocolos de otimização.

3D printing is an emerging and revolutionary technology in the pharmaceutical industry, making it possible to customize complex pharmaceutical products. Although promising, its implementation faces rigorous technical and regulatory challenges. This fieldwork aimed to optimize semisolid extrusion-based 3D printing processes, evaluating the critical parameters intrinsic to the different stages of the printing process for a hydrophilic and a lipophilic formulation. To this end, rheological analysis (viscosity and oscillation) was used to determine the ideal extrusion temperature. In parallel, extrudability tests were performed to understand the influence of different sized nozzles on the pressure required to extrude the formulation. To validate pressure and printing speed, flow and line tests were carried out. Finally, square patches with different infill patterns were printed and their mass uniformity was determined as a critical quality parameter. The rheological data enabled conclusions to be drawn regarding the formulation’s flow behavior. However, complementary extrudability tests proved essential to validate the ideal printing temperatures (42 °C for the hydrophilic formulation and 43 °C for the lipophilic formulation). Texture analysis revealed variations in extrusion forces depending on the nozzle selected, reflecting the pressure required to start the extrusion process. The main critical parameters, such as printing speed, the pressure applied and the nozzle’s inner diameter were systematically controlled and optimized during printing, since they have an impact on the extrusion flow and, consequently, on the dimensions and consistency of the filament. The final validation of the quality controls was achieved by analyzing the uniformity of mass, which demonstrated compliance with the limits established by the Portuguese Pharmacopeia 9.0 for pharmaceutical unit forms. Overall, these tests were relevant to process optimization and should be included in future optimization protocols.