Nguồn : International Journal of Pharmaceutics

Sơ lược

- Trong hai thế kỷ qua, thuốc men đã phát triển từ các chế phẩm thảo mộc và thực vật thô thành các sản phẩm phức tạp hơn tạo ra các sản phẩm thuốc và dạng bào chế phức tạp. Cùng với sự phát triển của dược phẩm, các phương thức sản xuất thuốc đã tiến bộ từ chế biến thủ công quy mô nhỏ với các công cụ đơn giản sang sản xuất quy mô lớn như một phần của ngành công nghiệp dược phẩm trị giá hàng nghìn tỷ đô la. Công nghệ sản xuất dược phẩm ngày nay tiếp tục phát triển khi internet vạn vật, trí tuệ nhân tạo, robot và máy tính tiên tiến bắt đầu thách thức các phương pháp tiếp cận, phương pháp và mô hình kinh doanh truyền thống để sản xuất dược phẩm. Việc áp dụng các công nghệ này có khả năng làm tăng đáng kể tính nhanh nhẹn, hiệu quả, tính linh hoạt và chất lượng của quá trình sản xuất thuốc công nghiệp. Cách thức những công nghệ này được triển khai trên hành trình từ thu thập dữ liệu đến sự trưởng thành kỹ thuật số mang tính tiêu biểu của Công nghiệp 4.0 sẽ xác định thế hệ sản xuất dược phẩm tiếp theo. Để đạt được những lợi ích của tương lai này, đòi hỏi một tầm nhìn về nó và sự hiểu biết về các rào cản quy định, kỹ thuật và hậu cần hiện có để hiện thực hóa nó.

1. Giới thiệu

Thuật ngữ Công nghiệp 4.0 đề cập đến cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư, tập hợp các công nghệ phát triển nhanh chóng như Internet vạn vật (IoT), trí tuệ nhân tạo (AI), robot và máy tính tiên tiến để thay đổi đáng kể bối cảnh sản xuất. Công nghiệp 4.0 được đặc trưng bởi các hệ thống sản xuất tích hợp, tự chủ và tự tổ chức. Cần phải có tư duy mới để hiện thực hóa Công nghiệp 4.0 đối với dược phẩm và vượt qua sức ì của cơ sở hạ tầng, hoạt động và quy định sản xuất hiện tại. Mặc dù việc triển khai nhiều công nghệ tiên tiến và phương pháp tiếp cận sản xuất cần thiết để kích hoạt Công nghiệp 4.0 có thể không dễ dàng, nhưng nó có thể rất đáng giá vì chúng mang lại tiềm năng cho sản lượng cao hơn, tăng cường an toàn sản xuất, cải thiện chất lượng, giá trị tốt hơn, tăng tính nhanh nhẹn, tính linh hoạt bổ sung, và giảm chất thải.

2. Công nghiệp 4.0

Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư tập hợp các công nghệ sản xuất tiên tiến để cho phép các hệ thống sản xuất tích hợp, tự chủ và tự tổ chức hoạt động độc lập với sự tham gia của con người. Kinh nghiệm thu được trong môi trường tự động hóa và kỹ thuật số của Công nghiệp 3.0 giúp thúc đẩy quá trình chuyển đổi rộng rãi sang Công nghiệp 4.0 trong sản xuất dược phẩm. Trong khi Công nghiệp 3.0 chứng kiến những tiến bộ nhanh chóng của các hoạt động và công cụ riêng lẻ, thì Công nghiệp 4.0 hứa hẹn những tiến bộ của toàn bộ hệ thống sản xuất và cơ sở hạ tầng. Trong môi trường như vậy, dữ liệu hiệu suất có thể được phân tích bằng các thuật toán và được sử dụng cho các quyết định hoạt động và kinh doanh theo thời gian thực quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả sản xuất.

Hành trình từ thu thập dữ liệu đơn giản đến phát triển kỹ thuật số là hành trình mà dữ liệu chuyển đổi từ dữ liệu thô được thu thập từ quá trình sản xuất, thành thông tin thu được bằng cách phân tích các dữ liệu này, thành kiến thức được hình thành thông qua việc bổ sung ý nghĩa theo ngữ cảnh bởi trí tuệ nhân tạo, và cuối cùng là sự thông minh có thể hành động để cung cấp thông tin cho việc ra quyết định nhờ sự đóng góp của cái nhìn sâu sắc. “Sự thông minh” này là thứ cung cấp năng lượng cho các hệ thống tự trị và máy vật lý mạng (tức là với các cơ chế được điều khiển bởi thuật toán máy tính) có khả năng tự tối ưu hóa, phán đoán / ra quyết định, di chuyển từ xa và điều khiển thích ứng.

Hình 1 : Các giai đoạn chuyển đổi dữ liệu trên con đường hiện thực hóa Công nghiệp 4.0. Trong các giai đoạn này, dữ liệu được chuyển đổi từ các tín hiệu thô được thu thập từ một hệ thống sang mức phát triển kỹ thuật số đầy đủ. Dữ liệu ban đầu được thu thập từ quy trình sản xuất, sau đó được sắp xếp bằng cách số hóa và phân tích dữ liệu dưới dạng Dữ liệu lớn thành thông tin, sau đó được tổng hợp thành kiến thức theo ý nghĩa được phân tích thông qua trí tuệ nhân tạo, và cuối cùng là sự thông minh có thể hành động đạt được thông qua những hiểu biết tổng hợp của sự phát triển kỹ thuật số.

3. Cách thức các công nghệ công nghiệp 4.0 có thể được triển khai trong sản xuất dược phẩm.

Các hệ thống tự động và rô bốt tích hợp kết hợp dữ liệu trực tuyến và thời gian thực với các quy trình sản xuất công nghiệp và trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa sản xuất và quản lý toàn doanh nghiệp.

Nhiều nguồn dữ liệu có thể tích hợp để kết nối cả thông tin bên ngoài và bên trong. Ví dụ, trong sản xuất dược phẩm, thông tin bên ngoài - bao gồm các biến số như trải nghiệm của bệnh nhân, nhu cầu thị trường, hàng tồn kho của nhà cung cấp và các trường hợp khẩn cấp về sức khỏe cộng đồng - có thể kết hợp với thông tin nội bộ như quản lý năng lượng và tài nguyên, kết quả mô hình hóa và mô phỏng cũng như dữ liệu phòng thí nghiệm. Tích hợp các nguồn dữ liệu bên trong và bên ngoài cho phép đáp ứng, giám sát, kiểm soát và dự đoán theo thời gian thực chưa từng có. Kết quả là tạo ra một hệ sinh thái được kiểm soát tốt, siêu kết nối, số hóa và chuỗi giá trị dược phẩm cho nhà sản xuất. 

Hình 2: Tính năng nguyên mẫu của môi trường Công nghiệp 4.0 là sự tích hợp của kết nối, trí tuệ nhân tạo (AI) và robot để cho phép các hệ thống hoạt động mà ít hoặc không có sự tham gia của con người.

Hệ thống vật lý mạng (CPS) cho sản xuất công nghiệp dược 4.0. Các phần chính của CPS bao gồm đám mây công cộng, đám mây riêng và nền sản xuất. Đám mây công cộng chứa các dịch vụ ứng dụng cho khách hàng bên ngoài. Đám mây riêng xử lý thông tin cho các tính năng lớp cao hơn như hệ thống giám sát từ xa, sản xuất, quản lý năng lượng, thông tin phòng thí nghiệm, dịch vụ điều khiển cũng như mô hình hóa và mô phỏng. Đám mây công cộng và riêng tư phản ánh kỹ thuật số trạng thái của hệ thống vật lý, do đó cho phép tối ưu hóa và dự đoán theo thời gian thực. Tầng sản xuất bao gồm thiết bị, thiết bị đo PATs và thử nghiệm phát hành theo thời gian thực (RTRt). PAT cung cấp quyền kiểm soát quá trình sản xuất và RTRt đảm bảo chất lượng sản phẩm dựa trên thông tin thu thập được trong quá trình sản xuất. Các hoạt động của quy trình (ví dụ: cấp liệu, tạo hạt ướt, sấy tầng sôi, xát hạt, trộn, dập viên và bao viên) được kết nối với mạng cục bộ và đám mây thông qua internet.

Một khái niệm quan trọng trong việc phát triển cái gọi là “nhà máy thông minh” là internet vạn vật công nghiệp (IoT), là một loại hệ thống vật lý mạng bao gồm các thiết bị tính toán, cảm biến, công cụ và thiết bị được kết nối với nhau được tích hợp trực tuyến thành một mạng liên kết. IoT yêu cầu số hóa dữ liệu, là quá trình chuyển đổi dữ liệu được thu thập thủ công trước đó thành dữ liệu được thiết bị kỹ thuật số ghi lại. Trong sản xuất dược phẩm, điều này có thể bao gồm thông tin liên quan đến chuỗi cung ứng như sự thay đổi của nguyên liệu thô và theo dõi toàn cầu nguyên liệu giữa các cơ sở thông tin liên quan đến sản xuất như quy trình vận hành và hướng dẫn công việc của người vận hành, giám sát hoạt động thời gian thực bằng video, đào tạo dựa trên video và tập trung dữ liệu sự kiện chất lượng để cải thiện việc ra quyết định. Quá trình phát triển kỹ thuật số hoàn toàn, quá trình đạt được sự thông minh từ những dữ liệu số hóa này, là cần thiết để chuyển đổi các hoạt động phản ứng thành một hệ sinh thái kỹ thuật số và tích hợp đầy đủ có khả năng đưa ra quyết định chủ động và dự đoán. Sự tích hợp này cho phép kết nối theo thời gian thực cả trong cơ sở sản xuất (ví dụ: học máy qua các hoạt động của đơn vị) cũng như bên ngoài cơ sở, khi các sản phẩm “nói chuyện” lại với nhà sản xuất của họ bằng cách sử dụng các công nghệ theo dõi điều kiện môi trường, thuộc tính chất lượng, sử dụng và hiệu suất của sản phẩm. Cùng với các thuật toán AI tập trung vào học máy và điều khiển thích ứng (mô tả bên dưới), IoT sẽ gây đột phá trong sản xuất dược phẩm và phát triển sản phẩm. 

Hình 3: Các công nghệ cho phép của một nhà máy thông minh trong Công nghiệp 4.0. Dữ liệu từ quá trình sản xuất được thu thập và lưu trữ thông qua hai công nghệ chính: công nghệ lưu trữ dữ liệu, chẳng hạn như đám mây và công nghệ thu thập dữ liệu, chẳng hạn như các cảm biến tiên tiến được sử dụng trong một hoạt động. Công nghệ lưu trữ dữ liệu cho phép lưu trữ lâu dài dữ liệu số hóa được thu thập từ các cảm biến tiên tiến. Môi trường giàu dữ liệu này cho phép dữ liệu lớn và mô phỏng, trí tuệ nhân tạo và điều khiển thích ứng, cặp song sinh kỹ thuật số và các hệ thống vật lý mạng như internet vạn vật. Các công nghệ kết hợp này cho phép rô bốt thông minh, chính xác, thời gian thực, hợp tác và các công nghệ thực tế ảo tăng cường hoặc thực tế ảo để vận hành và thao tác sản xuất. Toàn bộ nhà máy thông minh được kích hoạt bởi mạng internet không dây và an ninh mạng thích hợp.

Công nghiệp 4.0 có thể thay đổi vấn đề then chốt đối với các nhà sản xuất dược phẩm từ việc kiểm soát các quy trình sang cho phép con người hiểu được các hoạt động. Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình dung và hiểu biết của con người về các hoạt động sản xuất được số hóa, mỗi phân đoạn của chuỗi giá trị có thể được chia thành các kiến trúc kỹ thuật số; tức là cơ sở hạ tầng phần cứng và phần mềm hỗ trợ thu thập, lưu trữ và phân tích dữ liệu. Để phát triển các hệ thống thông minh tiết kiệm chi phí hợp nhất dữ liệu trực tuyến với hệ thống sản xuất và nhu cầu của khách hàng, cần phải phát triển hơn nữa các kiến trúc máy tính mạnh mẽ (tức là các bộ quy tắc và phương pháp mô tả chức năng, tổ chức và triển khai) và cải thiện - tốc độ truyền thông, với chi phí thấp hơn. Mặc dù các công cụ cụ thể được phát triển để tối ưu hóa các động lực giá trị quan trọng có thể khác nhau tùy thuộc vào năng lực cốt lõi và mô hình kinh doanh của các công ty dược phẩm, việc phát triển các hệ thống tích hợp hơn sẽ nhất quán. Đó là sự tích hợp kỹ thuật số vào IoT có thể tạo ra các ứng dụng dược phẩm đột phá như hệ thống sản xuất quy mô nhỏ theo thời gian thực, theo yêu cầu, dạng bào chế thực sự được cá nhân hóa và chẩn đoán cảm biến sinh học mang tính cách mạng

3.1. Những thách thức để hiện thực hóa nền công nghiệp 4.0 trong sản xuất dược phẩm

Để đạt được Công nghiệp 4.0 sẽ đòi hỏi phải áp dụng các công nghệ sản xuất tiên tiến và vượt qua các thách thức về quy định, kỹ thuật và hậu cần. Mỗi bước thay đổi trên con đường dẫn đến môi trường sản xuất Công nghiệp 4.0 sẽ dẫn đến các hệ thống sản xuất tự chủ hơn với các biện pháp kiểm soát quy trình nâng cao và quản lý chất lượng hoàn thiện hơn. Những thay đổi này sẽ làm giảm sự khác biệt giữa các lô và tạo ra các sản phẩm luôn có sẵn. Trong khi các công cụ nền tảng của PAT và QbD được nhiều nhà sản xuất dược phẩm sẵn sàng sử dụng, thì ít nhà sản xuất dược phẩm chuẩn bị thực hiện các bước tiếp theo để áp dụng các công nghệ tiên tiến hỗ trợ sản xuất thông minh. Một lý do chính dẫn đến sự chậm trễ trong việc áp dụng các công nghệ mới hơn có liên quan đến kiến thức thể chế và quy định rộng lớn được tích lũy trên các công nghệ nền tảng hiện có. Việc thiếu tiền lệ trong ngành, chi phí liên quan đến phát triển và sự không chắc chắn về quy định đã khiến nhiều công ty quan tâm đến cách tiếp cận “trước tiên đến sau” bằng cách quan sát cách các đối thủ cạnh tranh tiếp cận các công nghệ sản xuất mới và cách các cơ quan quản lý phản ứng.

3.2. Những thách thức về quy định

Đối với các rào cản quy định, hoạt động trong các khuôn khổ quy định hiện có có thể là một thách thức về mặt nhận thức hoặc thực tế đối với sự đổi mới công nghệ. Việc thiếu ưu tiên quy định có thể khiến ngành công nghiệp duy trì các quy trình thông thường ngay cả khi các quy trình mới có thể giảm gánh nặng quy định tổng thể và tăng chất lượng về lâu dài. Ngay cả các công nghệ Công nghiệp 3.0 đã được triển khai hiện có như công nghệ sản xuất liên tục và hệ thống điều khiển thích ứng để phát hành sản phẩm đã thách thức các mô hình xác thực quy trình hiện tại của nửa thế kỷ trước. Một thách thức pháp lý khác là gánh nặng nộp đơn đăng ký quy định trên nhiều khu vực pháp lý toàn cầu có các kỳ vọng quản lý khác nhau, đặc biệt là đối với các công nghệ sản xuất mới. Sự hội tụ quy định quốc tế về các công nghệ sản xuất tiên tiến có thể làm giảm bớt sự không chắc chắn này cho các nhà sản xuất.

4. Kết luận 

Công nghệ Công nghiệp 4.0 có tiềm năng biến đổi các nền tảng sản xuất dược phẩm và hậu cần thông qua số hóa, các hệ thống tự trị, rô bốt và những tiến bộ của máy tính. Đặc biệt, các khuôn khổ về chuỗi cung ứng dược phẩm, quy trình sản xuất, phân phối và tồn kho có thể được cải thiện đáng kể. Nhà máy thông minh của tương lai sẽ sử dụng các tính năng tự động cho phép sản xuất linh hoạt và nhanh nhẹn hơn. Con đường để áp dụng đầy đủ Công nghiệp 4.0 sẽ đòi hỏi những tiến bộ và đổi mới nhằm giải quyết nhiều rủi ro và thách thức về dữ liệu, máy tính và tự động hóa.

Việc áp dụng các công nghệ sản xuất tiên tiến của Công nghiệp 4.0 có thể đặt ra những thách thức đối với khuôn khổ quy định hiện tại, vì hầu hết các quy định được phát triển theo mô hình Công nghiệp 2.0 về sản xuất theo lô truyền thống. FDA Hoa Kỳ đã khởi động một nỗ lực để xác định và thực hiện những thay đổi cần thiết trong cấu trúc quy định để kích hoạt các công nghệ mới. Ví dụ: các chủ đề chính sách và quy định mới liên quan đến Công nghiệp 4.0 bao gồm quản lý môi trường giàu dữ liệu, các khái niệm phát triển về thẩm định quy trình cho các hệ thống sản xuất tiên tiến và giám sát quy định đối với các thay đổi sau phê duyệt đối với các hệ thống đó. 

Tất nhiên, ngoài những thách thức về quy định, kỹ thuật và hậu cần liên quan đến một cuộc cách mạng sản xuất dược phẩm mới, cũng sẽ cần phải đầu tư tài chính. Các khoản đầu tư ban đầu hướng đến cả vốn và chi phí hoạt động để chuyển đổi cơ sở vật chất hoặc tạo ra những cơ sở mới có thể gây ra rào cản gia nhập đối với nhiều nhà sản xuất. Như với bất kỳ khoản đầu tư nào, Công nghiệp 4.0 có thể không mang lại lợi nhuận ngay lập tức. Tuy nhiên, giá trị lâu dài của mô hình sản xuất mới này sẽ tạo nên trường hợp kinh doanh cho việc áp dụng công nghệ mới - kiểm soát nhiều hơn, ít lỗi hơn, phản ứng nhanh hơn và ít thiếu thuốc hơn. Trong tương lai, thông tin chất lượng sản phẩm bổ sung, dễ tiếp cận hơn và theo thời gian thực sẽ được tạo ra và có thể trở nên minh bạch hơn đối với người mua, người thanh toán, nhà cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe và bệnh nhân - tác động đến nhu cầu. Sự minh bạch như vậy sẽ khuyến khích hơn nữa đầu tư vào các công nghệ có thể sản xuất các sản phẩm chất lượng cao một cách nhất quán. Tuy nhiên, người chiến thắng cuối cùng của Công nghiệp 4.0 trong sản xuất dược phẩm không phải là các nhà sản xuất hoặc cơ quan quản lý thuốc, mà là những bệnh nhân sẽ được hưởng lợi từ các loại thuốc chất lượng cao hơn với chuỗi cung ứng đáng tin cậy hơn và ít bị thiếu hụt hơn.