CN113750331B

CN113750331B - 一种干粉吸入器

Info

Publication number: CN113750331B
Application number: CN202110950093.4A
Authority: CN
Inventors: 崔岩; 单彬彬
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2021-08-18
Filing date: 2021-08-18
Publication date: 2022-08-16
Anticipated expiration: 2041-08-18
Also published as: CN113750331A

Abstract

本发明公开了一种干粉吸入器，属于医药技术领域，包括分离式药物贮存室、颗粒旋转碰撞室、对称气流入口管道部件、网筛部件以及口含气流出口部件，其中所述可分离式药物贮存室可以实现快速供药；药物颗粒在所述颗粒旋转碰撞室中分离；所述对称气流入口管道部件作为空气进入的通道；药物颗粒通过所述网筛部件，最终经由所述口含气流出口部件进入人体呼吸道。干粉吸入器在采用该内部流动区域后，可显著提高药物颗粒从载体颗粒表面分离的效率，并能有效的将大多数载体颗粒保留在干粉吸入器内，进而可极大地提升用户的使用体验。

Description

一种干粉吸入器

技术领域

本发明属于医药技术领域，更具体地，涉及一种干粉吸入器。

背景技术

在用于治疗慢性阻塞性肺疾病、哮喘以及肺局部感染等呼吸道疾病中，干粉吸入器(Dry Powder Inhaler，DPI)相对于基于液体的雾化器来说，具有高药物剂量承载能力、高药物稳定性、低生物污染、体积小、无需使用者配合呼吸等优点，因此在市场上存在着较高的竞争力。

干粉吸入器所使用的药物颗粒(1-5微米，又称Active PharmaceuticalIngredient，API颗粒)通常附着于较大载体颗粒表面(50-500微米，材质多为乳糖)，形成一个颗粒聚合体(如图4)，通过对载体颗粒进行表面改性，可有效降低药物颗粒与载体颗粒间的黏着力。其工作原理是借助于吸入器的内部流动区域的设计，使颗粒聚合体在流体应力和壁面碰撞的综合作用下，在吸入器内实现药物颗粒从载体颗粒表面的分离，进而进入人体呼吸道，达成治疗效果。

干粉吸入器性能的优异主要体现在药物颗粒从载体颗粒表面分离的效率，由于影响干粉吸入器药物分离效率的关键在于其内部流动区域的设计，而外观可能千差万别，因此本专利聚焦于干粉吸入器内部流动区域的设计。

以

为例，目前商业干粉吸入器的内部流动区域设计通常如图1所示，包括：药物贮存室(I)、颗粒旋转碰撞室(II)、气流入口管件(III)、网筛件(IV)、口含气流出口管(V)。其各部件主要特征为：药物贮存室(I)中，使用者需手动装卸胶囊，并需手动用探针刺破胶囊，使颗粒聚合体暴露在吸入器内部流动区域中；颗粒旋转碰撞室(II)的壁面与底面垂直；气流入口管件(III)的截面呈长方形；口含气流出口管(V)的末端在使用者使用时与重力方向垂直。

目前干粉吸入器存在以下三个主要问题：

1、使用者使用时需放入胶囊、刺破胶囊、吸入后还需将胶囊取出。药物颗粒与载体颗粒分离后，会一同进入人体呼吸道，由于载体颗粒较大，受惯性作用会沉积于人的口腔，使用者吸入后需使用吐痰的方式将其吐出。此外，由于载体颗粒多使用乳糖，载体颗粒进入人体后会对糖尿病使用者构成安全威胁。以上使用不便以及安全风险对使用者的使用体验构成了极大的负面影响。

2、目前干粉吸入器的药物颗粒从载体颗粒表面的分离效率较低，仅为10～30％，其根本原因在于颗粒聚合体在干粉吸入器内的停留时间较短(0.1秒左右)，颗粒聚合体与壁面碰撞的不充分造成的。药物颗粒非常昂贵，低药物分离效率会急剧增加使用者的医疗成本。

3、由于人的口腔与气道存在夹角，因此干粉吸入器在使用时推荐使用者昂起头含住口含气流出口管(V)吸气。而使用者很难掌握正确的使用方式，在使用前需要对使用者进行培训，增加了时间和培训成本。使用者在日后使用时也会经常出现偏差，且由于医疗随访的困难，医生并无机会纠正。

因此，亟需一款药物分离效率高、使用者使用体验佳、且能自动纠正错误使用方式的干粉吸入器。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种干粉吸入器，其目的在于优化干粉吸入器内部流动区域的结构设计，由此解决干粉吸入器药物分离效率低、使用者使用体验不佳等技术问题。

其技术原理为：

1、颗粒聚合体在干粉吸入器内部流场的运动是在颗粒旋转碰撞室中呈小角度盘旋上升趋势，并在运动的过程中与壁面发生不断的碰撞，在惯性力的作用下药物颗粒从载体颗粒表面分离。因此，若使颗粒旋转碰撞室中的壁面与底面保持一个倾斜的角度(如图6)，则可有效控制颗粒聚合体的反弹角度，使其在颗粒旋转碰撞室中盘旋但不上升。该原理可有效增加颗粒聚合体在干粉吸入器内的停留时间，大幅提升颗粒聚合体与壁面的碰撞次数，进而有效提升干粉吸入器中的药物分离效率。

2、但是，颗粒旋转碰撞室中的壁面与底面的夹角并不可以无限减小。因为该夹角会导致颗粒旋转碰撞室上方截面收窄，根据流体力学中的连续性方程，颗粒旋转碰撞室上方的截面积较小，因此流速较大。又依据伯努利方程，其上方的压强相对下方较小，高压区域会把颗粒往低压区域推，反而会促使颗粒聚合体在流体应力的作用下迅速离开干粉吸入器。该原理与上述原理是相悖的，因此需通过计算流体力学的方法，依据药物颗粒的合成方式以及颗粒的材料属性计算得到最为恰当的角度，从而达到提升药物分离效率的效果。

3、由于药物颗粒仅为1～5微米，该尺寸的药物颗粒在流场的作用下会贴合流线，在与载体颗粒分离后会迅速沿着流线离开吸入器；而载体颗粒由于尺寸较大(50～500微米)，受惯性力的影响会脱离流线，与颗粒旋转碰撞室的倾斜壁面发生不断的碰撞，可有效的存留在干粉吸入器内，而不进入人的口腔。

4、由于倾斜的颗粒旋转碰撞室壁面设计，气流入口管件需与颗粒旋转碰撞室相切，否则会对颗粒聚合体在颗粒旋转碰撞室内的旋转造成扰动，因此气流入口管件的截面是与颗粒旋转碰撞室相切并具有相应倾斜角度的四边形，而不是现有干粉吸入器所使用的长方形截面。此外，气流入口管件需采取两个对称入口设计，否则不会产生较为稳定的流场。

5、口含气流出口管与使用者使用吸入器时的头部仰角存在强相关性，通过采用向下倾斜的口含气流出口管的设计，使用者使用时会自然的把头部仰起来使用。通过该设计可有效引导使用者采用正确的吸入方式。口含气流出口管向下倾斜的具体角度跟使用者的年龄和性别相关。

6、采用泡罩型药物作为干粉吸入器内部流动区域的一部分，仅需使用者采取剥离的一个动作，而不用像传统的干粉吸入器一样需要放入胶囊、刺破胶囊、吸入后移除胶囊等动作，进而可有效提升使用者的使用体验。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种干粉吸入器，包括分离式药物贮存室、颗粒旋转碰撞室、气流入口管件、网筛件和口含气流出口管；

所述颗粒旋转碰撞室上方设有第一开口，其下方设有第二开口；所述口含气流出口管经由所述第一开口装配于所述颗粒旋转碰撞室上部，所述分离式药物贮存室经由所述第二开口装配于所述颗粒旋转碰撞室底部；所述网筛件设置于所述第一开口处；所述气流入口管件对称设置于所述颗粒旋转碰撞室侧壁并与所述颗粒旋转碰撞室连通；

所述颗粒旋转碰撞室的壁面具有倾斜角度，且所述颗粒旋转碰撞室在垂直方向上的截面为等腰梯形；

当使用者通过所述口含气流出口管进行吸入给药时，空气从所述气流入口管件进入，带动众多颗粒聚合体从所述分离式药物贮存室上升至所述颗粒旋转碰撞室，受流体应力的作用颗粒聚合体在所述颗粒旋转碰撞室内旋转运动，并与吸入器内壁面发生往复碰撞，从而实现颗粒聚合体中药物颗粒与载体颗粒间的分离，分离后的药物颗粒穿越所述网筛件，最终经由所述口含气流出口管进入人体呼吸道。

优选地，所述颗粒旋转碰撞室侧壁面与底面夹角的角度范围为45°～89°。

优选地，所述气流入口管件的壁面与所述颗粒旋转碰撞室的侧壁面相切。

优选地，两个所述气流入口管件相对于所述颗粒旋转碰撞室的中心反向对称设置。

优选地，所述口含气流出口管包括第一管段和第二管段；所述第二管段为L型结构，所述第一管段的口含处具有向下的倾斜角度。

优选地，所述向下的倾斜角度为-45°～0°。

优选地，所述分离式药物贮存室为药物的泡罩包装，与所述颗粒旋转碰撞室底部贴合，属于干粉吸入器内部流动区域的一部分。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提出的干粉吸入器采用带有倾斜角度壁面的颗粒旋转碰撞室以及与其相切的两个气流入口管件，由于壁面存在倾斜角度，颗粒聚合体会不断的在颗粒旋转碰撞室内旋转并与壁面发生碰撞，从而可极大地提高壁面碰撞次数，进而有效提高了药物颗粒从载体颗粒上的分离效率。而尺寸较小的药物颗粒则会沿着流线运动，进而离开干粉吸入器并进入体内，产生治疗效果。此外，由于载体颗粒受倾斜角度壁面的颗粒旋转碰撞室的影响，会不停的在颗粒旋转碰撞室内盘旋，从而避免了载体颗粒(即较大的乳糖颗粒)进入人体呼吸道，可极大的提升使用者的使用体验，并能适用于患有糖尿病等血糖疾病的使用者。

2、本发明提出的干粉吸入器采用的口含气流出口管，其为前段弯曲结构、后段L型的结构，能够保证在吸入器使用过程中，使用者能主动采用正确的吸入姿势，有效避免了吸入药物在咽喉处的沉积，进而可有效提升吸入给药效率。

3、本发明提出的干粉吸入移除了传统干粉吸入器的药物贮存室，而采用泡罩型药物，用泡罩壳体作为干粉吸入器内部流动区域的一部分，将使用传统干粉吸入器所需的三个动作减少为剥离的一个动作，从而提高了使用者使用体验。

附图说明

图1是现有技术中干粉吸入器的结构示意图；

图2是本发明干粉吸入器的结构示意图；

图3是本发明干粉吸入器在使用过程时的过程示意图；

图4是本发明干粉吸入器所使用的颗粒聚合体的结构示意图；

图5是本发明干粉吸入器的分离式药物贮存室的结构示意图；

图6是本发明干粉吸入器的颗粒旋转碰撞室的截面图；

图7是本发明干粉吸入器的网筛件的结构示意图；

图8是本发明干粉吸入器的口含气流出口管的结构示意图；

图9是本发明与现有技术吸入器在颗粒聚合体碰撞次数与颗粒聚合体停留时间的数据对比图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-分离式药物贮存室；2-颗粒旋转碰撞室；3-气流入口管件；4-网筛件；5-口含气流出口管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图2，本发明提出了一种干粉吸入器，包括分离式药物贮存室1、颗粒旋转碰撞室2、气流入口管件3、网筛件4和口含气流出口管5。具体的，所述颗粒旋转碰撞室2上方设有第一开口，其下方设有第二开口；所述口含气流出口管5经由所述第一开口装配于所述颗粒旋转碰撞室2上部，所述分离式药物贮存室经由所述第二开口装配于所述颗粒旋转碰撞室2底部；所述网筛件4设置于所述第一开口处；所述气流入口管件3对称设置于所述颗粒旋转碰撞室2侧壁并与所述颗粒旋转碰撞室2连通。

在使用干粉吸入器之前，所述分离式药物贮存室1，即药物的泡罩包装，会存放一定剂量的颗粒聚合体，且因为重力作用堆积在底部；所述气流入口管件3分别与所述颗粒旋转碰撞室2呈相切对称分布，并且与大气相通，因此两个入口末端压力均为一个大气压，当使用者使用干粉吸入器时，通过吸入动作对于所述口含气流出口管5的末端施加负压，在此情况下，所述颗粒聚合体会在所述颗粒旋转碰撞室2中旋转碰撞，在流体应力和壁面碰撞的综合作用下，实现了药物颗粒从载体颗粒表面的分离，而且由于所述颗粒旋转碰撞室2的壁面存在倾斜角度，载体颗粒会不断的在颗粒旋转碰撞室内旋转并与壁面发生碰撞，最终会停留在旋转室内，避免了进入人的口腔，而药物颗粒在流体应力的作用下，沿着流线穿过所述网筛件4，最终通过所述口含气流出口管5进入人体呼吸道，具体过程如图3所示。

如图4所示，本发明所使用的颗粒聚合体是由载体颗粒以及其表面上的药物颗粒组成。

更进一步的说明，所述分离式药物贮存室1，即药物的泡罩包装，在使用使用过程中仅需采取剥离的一个动作，替代了传统干粉吸入器所需的三个动作，如图5所示，提高了换药效率且更加方便使用者的使用，从而提高了使用者的使用体验。

更进一步的说明，所述颗粒旋转碰撞室2带有倾斜角度的壁面，目的在于在使用者吸入动作后，颗粒聚合体在流体应力的作用下进入所述颗粒旋转碰撞室2与壁面碰撞，而带有倾斜角度的壁面能够有效控制颗粒聚合体的反弹角度，使其在颗粒旋转碰撞室2中盘旋但不上升，因此颗粒聚合体就会不断与颗粒旋转碰撞室2的壁面碰撞，从而有效增加颗粒聚合体在干粉吸入器内的停留时间，大幅度提升颗粒聚合体与壁面的碰撞次数，进而在流体应力和壁面碰撞的综合作用下，有效地提升了干粉吸入器中药物颗粒从载体颗粒上的分离效率。所述颗粒旋转碰撞室2垂直方向上截面为等腰梯形。

如图6所示，作为本发明的优选实施例，等腰梯形的腰与长底面夹角的角度范围为45°～89°。

更进一步的说明，所述气流入口管件3，与所述颗粒旋转碰撞室2的壁面相切，避免了对颗粒聚合体在颗粒旋转碰撞室2内的旋转造成扰动，因此气流入口管件3的截面是与颗粒旋转碰撞室2相切并具有相应倾斜角度的四边形，并且两个气流入口管件关于所述颗粒旋转碰撞室2的中心成反向对称，相切的位置不固定，当使用者通过所述口含气流出口管件5吸入药物颗粒时，对称气流入口更有利于稳定流的产生，从而能使颗粒聚合体在所述颗粒旋转碰撞室2内的对称流场中旋转运动，碰撞时间增加，因此有利于提高药物颗粒的分离效率。

更进一步的说明，如图8所示，所述口含气流出口管5采用前段弯曲、后段L型的结构，能够保证在吸入器使用过程中，使用者能主动采用正确的吸入姿势，有效避免了吸入药物在咽喉处的沉积，进而可有效提升吸入给药效率。

作为本发明的优选实施例，将所述口含气流出口管5前段与后段的水平部分相比，以向下倾斜方向为负，所述口含气流出口管5的前段夹角范围为-45°～0°。

为使本发明干粉吸入器的内部流动区域结构的优异性能更加清楚，以下通过具体实施例进行进一步说明本发明的技术方案。

请参阅图1～8，采用颗粒旋转碰撞室2的壁面倾斜角度为85°，口含气流出口管5的前段与后段水平部分夹角为-20°，颗粒聚合体的直径为104.9微米。用计算流体力学模拟2000个颗粒聚合体在0.5秒的时间内在该干粉吸入器内部流动区域的运动，并记录颗粒聚合体与颗粒旋转碰撞室2壁面的平均碰撞次数以及在干粉吸入器内的平均停留时间，并与

相对比，在4千帕的压差下，该干粉吸入器的颗粒聚合体平均碰撞次数从

的52.22次提升至273.34次，颗粒聚合体平均停留时间从

的0.084秒提升至0.4989秒，接近于吸入总时间0.5秒。可见采用本发明内部流动区域结构的干粉吸入器在影响药物分离效率的关键参数上比目前市场上的干粉吸入器有较大的提升，可以显著提高药物颗粒的分离效率，如图9所示(采用本发明内部流动区域结构的干粉吸入器注释为自研DPI)。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种干粉吸入器，其特征在于，包括分离式药物贮存室(1)、颗粒旋转碰撞室(2)、气流入口管件(3)、网筛件(4)和口含气流出口管(5)；

所述颗粒旋转碰撞室(2)上方设有第一开口，其下方设有第二开口；所述口含气流出口管(5)经由所述第一开口装配于所述颗粒旋转碰撞室(2)上部，所述分离式药物贮存室经由所述第二开口装配于所述颗粒旋转碰撞室(2)底部；所述网筛件(4)设置于所述第一开口处；所述气流入口管件(3)对称设置于所述颗粒旋转碰撞室(2)侧壁并与所述颗粒旋转碰撞室(2)连通；

所述颗粒旋转碰撞室(2)的壁面具有倾斜角度，且所述颗粒旋转碰撞室(2)在垂直方向上的截面为等腰梯形；

当使用者通过所述口含气流出口管(5)进行吸入给药时，空气从所述气流入口管件(3)进入，带动众多颗粒聚合体从所述分离式药物贮存室(1)上升至所述颗粒旋转碰撞室(2)，受流体应力的作用颗粒聚合体在所述颗粒旋转碰撞室(2)内旋转运动，并与吸入器内壁面发生往复碰撞，从而实现颗粒聚合体中药物颗粒与载体颗粒间的分离，分离后的药物颗粒穿越所述网筛件(4)，最终经由所述口含气流出口管(5)进入人体呼吸道。

2.根据权利要求1所述的一种干粉吸入器，其特征在于，所述颗粒旋转碰撞室(2)侧壁面与底面夹角的角度范围为45°～89°。

3.根据权利要求1所述的一种干粉吸入器，其特征在于，所述气流入口管件(3)的壁面与所述颗粒旋转碰撞室(2)的侧壁面相切。

4.根据权利要求3所述的一种干粉吸入器，其特征在于，两个所述气流入口管件(3)相对于所述颗粒旋转碰撞室(2)的中心反向对称设置。

5.根据权利要求1所述的一种干粉吸入器，其特征在于，所述口含气流出口管(5)包括第一管段和第二管段；所述第二管段为L型结构，所述第一管段的口含处具有向下的倾斜角度。

6.根据权利要求5所述的一种干粉吸入器，其特征在于，所述向下的倾斜角度为-45°～0°。

7.根据权利要求1所述的一种干粉吸入器，其特征在于，所述分离式药物贮存室(1)为药物的泡罩包装，与所述颗粒旋转碰撞室(2)底部贴合。