Airflow and particle deposition in a dry powder inhaler.
Authors: Μιλένκοβιτς Γιόβανα 
Published: September 2021

Οι εισπνευστήρες ξηράς σκόνης (Dry Powder Inhalers, DPIs), αποτελούν τον κύριο τρόπο χορήγησης φαρμακευτικών ουσιών, όπως για παράδειγμα στη θεραπεία άσθματος, λόγω της ευκολίας χρήσης τους και του χαμηλού κόστους. Η κύρια λειτουργία του εισπνευστήρα είναι η επαρκής διασπορά της φαρμακευτικής σκόνης υπό την μορφή σωματιδίων. Η ροή αέρα μέσα στον εισπνευστήρα αναπτύσσεται από την διαφορά πίεσης στο στόμιο που επιβάλλεται από τον χρήστη. Η ανάπτυξη της ροής στο DPI έχει ως αποτέλεσμα την διάσπαση της φαρμακευτικής σκόνης σε συσσωματώματα και σωματίδια. Η αποτελεσματική διάσπαση και διασπορά της σκόνης μέσα στον εισπνευστήρα εξαρτάται από τις χαρακτηριστικές ιδιότητες της σκόνης και των τοιχωμάτων της συσκευής (όπως π.χ. οι δυνάμεις συνοχής και προσκόλλησης, η πυκνότητα, η κατανομή μεγέθους σωματιδίων) και από το δυναμικό πεδίο ροής του αέρα που αναπτύσσεται κατά την εισπνοή. Κύρια προβλήματα των εισπνευστήρων ξηράς σκόνης είναι η απώλεια φαρμάκου λόγω της επικάθισης στα τοιχώματα, η ελλιπής ανάπτυξη ροής λόγω αδυναμίας επιβολής της απαιτούμενης διαφοράς πίεσης από τον χρήστη, και η ανεπαρκής διάσπαση της σκόνης σε σωματίδια. Η εκροή από το επιστόμιο της συσκευής DPI είναι μεγάλης σημασίας. Τα χαρακτηριστικά του ρεύματος εκροής καθορίζουν την διασπορά και την ροϊκή συμπεριφορά των σωματιδίων που κατευθύνονται προς τη στοματική κοιλότητα, και κατά συνέπεια επηρεάζουν τις απώλειες σωματιδίων στην στοματο-φαρυγγική περιοχή όπως και την ποσότητα των λεπτών σωματιδίων που φτάνουν στο ανώτερο αναπνευστικό σύστημα. Τα πεδία εκροής του αέρα και των σωματιδίων από την επιφάνεια εκροής του εισπνευστήρα, η συνολική ποσότητα σωματιδίων (άρα και φαρμάκου) που εκρέουν και το κλάσμα λεπτών σωματιδίων (Fine Particle Fraction, FPF) είναι τα κύρια χαρακτηριστικά. Στις περισσότερες εμπορικές συσκευές DPI έχουν παρατηρηθεί πολύπλοκα πεδία ροής και δυναμικές δομές ροής από στρωτή έως τυρβώδης. Ωστόσο η υπολογιστή μελέτη των πεδίων ροής μέχρι σήμερα δεν ήταν επαρκής και η μεταφορά σωματιδίων δεν έχει μελετηθεί σχεδόν καθόλου. Επίσης δεν έχουν αναφερθεί ποτέ αποτελέσματα υπολογιστικών προσομοιώσεων που να δίνουν τις συνολικές απώλειες φαρμάκου λόγω επικάθισης σωματιδίων στα τοιχώματα ούτε και η εκροή λεπτών σωματιδίων (FPF). Σε αυτήν την διατριβή, περιγράφεται λεπτομερώς η λειτουργία ενός εμπορικού εισπνευστήρα (Τurbuhaler) υπό συνθήκες σταθερής και δυναμικής ροής με ένα σύνθετο υπολογιστικό μοντέλο βασισμένο στην υπολογιστική ρευστοδυναμική (Computational Fluid Dynamics, CFD). Υπολογίζονται για πρώτη φορά οι συνολικές απώλειες σωματιδίων (φαρμάκου) και το κλάσμα λεπτών σωματιδίων για ένα μεγάλο εύρος συνθηκών. Η γεωμετρία της συσκευής DPI κατασκευάστηκε σε πρόγραμμα CAD/CAM (CATIA v5) και στη συνέχεια εισάχθηκε στην GAMBIT όπου διακριτοποιήθηκε σε ένα υπολογιστικό πλέγμα. Οι εξισώσεις Navier-Stokes λύνονται με τη χρήση των εμπορικού λογισμικού CFD (FLUENT v6.3). Η κίνηση και εναπόθεση των σωματιδίων περιγράφονται με την μέθοδο Eulerian-Fluid/ Lagrangian-Particle. Οι συγκρούσεις των σωματιδίων με τα τοιχώματα της συσκευής οδηγούν σε αναπήδηση ή προσκόλληση με βάση ένα μοντέλο αλληλεπίδρασης σωματιδίων/συσκευής. Η διασπορά της φαρμακευτικής σκόνης θεωρήθηκε ότι γίνεται ακαριαία με βάση ένα απλό μοντέλο διασποράς. Για δυναμικές προσομοιώσεις οι εξισώσεις ροής και σωματιδίων λύνονται ταυτόχρονα και η επιβαλλόμενη διαφορά πίεσης στην επιφάνεια εκροής αλλάζει δυναμικά με το χρόνο. Η διατριβή αυτή εξετάζει την ροή αέρα και την εναπόθεση των σωματιδίων σε ευρύ φάσμα των πιέσεων του στομίου (π.χ. 800 - 8800Pa) που αντιστοιχούν στις ογκομετρικές ροές που αναπτύσσονται στην πράξη (π.χ. 20-70 L/min), Επίσης προσδιορίζονται τα κύρια χαρακτηριστικά της εκροής όπως το δυναμικό και συνολικό κλάσμα λεπτών σωματιδίων, και το πεδίο εκροής αέρα και σωματιδίων. Τέλος περιγράφεται εικονικά οι χωρική κατανομή των σωματιδίων που έχουν εναποτεθεί στα τοιχώματα της συσκευής καθώς και των σωματιδίων που έχουν εξέλθει από την συσκευή. Είναι η πρώτη φορά που αναφέρονται τέτοια αποτελέσματα στην διεθνή βιβλιογραφία. Τα υπολογιστικά αποτελέσματα κρίθηκαν άκρως ικανοποιητικά σε σύγκριση με δεδομένα της βιβλιογραφίας δεδομένου της διασποράς των πειραματικών δεδομένων και της περιπλοκότητας του προβλήματος. Είναι αξιοσημείωτο ότι η σύγκριση έγινε χωρίς να τροποποιηθούν οι παράμετροι του προβλήματος.