Устройство, составляющее воздушный отсекатель порошка

Устройство, составляющее воздушный отсекатель порошка

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение относится к устройству и приспособлению, составляющим воздушный отсекатель порошка, предназначенный для деагрегации и диспергирования в воздух тонко измельченного сухого лекарственного порошка, приготовленного для высвобождения и предназначенного для вдыхания через ингалятор сухого порошка.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящее время дозирование лекарственных средств осуществляют различными путями. В здравоохранении наблюдается быстро растущий интерес к введению локально или системно воздействующих лекарственных средств в виде прописанных доз порошка, вводимых непосредственно в дыхательные пути и легкие пациента посредством ингалятора с целью создания эффективного, быстрого и удобного для пользователя введения подобных лекарственных препаратов.

Ингалятор сухого порошка, ИСП, представляет собой устройство, предназначенное для введения доз порошка в глубокие и/или верхние легочные дыхательные пути путем пероральной ингаляции. Однако осаждение лекарственных средств в глубоких отделах легких представляет собой более сложную проблему, которая лишь недавно привлекла к себе внимание. Большая часть ингаляторов, имеющихся на рынке в настоящее время, предназначена для лечения заболеваний дыхательных путей или локального лечения легкого, например астмы, где целью часто является локальное осаждение лекарства, без затрагивания глубокого отдела легкого. При системном обеспечении лекарственным средством предпочтительным является осаждение порошка в глубоком отделе легкого, обычно необходимое для достижения максимальной эффективности лечения. Под глубоким отделом легкого понимаются периферическая часть легкого и альвеолы, где происходит непосредственный перенос вещества в кровь. Если частица должна достигать глубокого отдела легкого, то обычно аэродинамический размер частицы, должен быть меньше 3 мкм, а для локального введения в легкое ее размер обычно составляет около 5 мкм. Частицы большего размера будут легко прилипать в полости рта и горла. Таким образом, независимо от того является ли целью локальная или системная доставка лекарственного средства, важно поддерживать распределение размеров частиц в дозе в жестких пределах для того, чтобы обеспечить высокий процент фактически осажденной дозы там, где это будет наиболее эффективно.

Размер частиц особенно важен для успешной доставки к глубокому отделу легкого при вдыхании. Кроме того, для получения оптимальных результатов, вдох необходимо осуществлять размеренно, чтобы уменьшить скорость воздуха и тем самым снизить осаждение в верхних дыхательных путях, происходящее вследствие соударения с ними. Преимущества полного использования энергии дыхания потребителя в продолжительном непрерывном интервале доставки дозы в пределах дыхательного цикла раскрыто в нашем Шведском патенте № SE 9904081-8 (WO 01/34233 А1), который включен в данную публикацию в качестве ссылки. В указанном патенте представлены несколько устройств, предназначенных для эффективного распределения фармацевтической композиции в виде тонкодисперсного порошка во вдыхаемом воздухе без использования других источников энергии, кроме энергии воздуха во вдохе потребителя.

Порошки для ингаляционного введения, имеют тенденцию к агрегации, другими словами к слипанию или образованию меньших или больших комков из частиц, которые, прежде чем частицы попадут в полость рта потребителя, необходимо подвергать деагрегации. Деагрегацию определяют как дробление агрегированного порошка путем подвода энергии, например электрической, механической, пневматической или аэродинамической энергии. Чтобы добиться системной доставки лекарственных порошков посредством вдыхания к глубокому отделу легкого, важным является достижение высокой степени деагрегации лекарственного порошка во вдыхаемом воздухе. В большинстве случаев лечение пациента не является единичным событием, его необходимо повторять, а в некоторых хронических случаях лечение должно проводиться на постоянной основе. Во всех случаях деагрегация должна быть повторяемым процессом, а дозирование от введения к введению должно поддерживаться в жестких допусках.

Большинство существующих ингаляторов сухого порошка имеют весьма слабую способность к деагрегированию. Современные ингаляционные устройства, предназначенные для лечения астмы и других легочных заболеваний, обычно подают частицы лекарственного средства, распределенные в диапазоне размеров, более широком, чем оптимальный диапазон, необходимый для осаждения в глубоких отделах легких. Это часто вызывается неадекватной деагрегацией конгломератов частиц порошка с первичным размером в диапазоне 2-3 мкм. Таким образом, вдыхаемая доза состоит из конгломератов более мелких частиц. Это влечет за собой несколько недостатков:

- значительное варьирование однородности распределения аэродинамических размеров частиц между различными дозами, так как процесс деагрегации чувствителен к незначительным различиям в условиях вдыхания от вдоха к вдоху;

- распределение размера частиц доставляемой дозы может иметь остаточное количество крупных конгломератов, которые осаждаются в полости рта и верхних дыхательных путях;

- задержка вещества в ингаляторе может изменяться вместе с распределением аэродинамических размеров частиц, и поэтому ее трудно регулировать и прогнозировать.

Таким образом, для осуществления стабильной, прогнозируемой и повторяемой доставки лекарственных средств к легким необходима система деагрегирования, способная воспроизводимо осуществлять высококачественную деагрегацию сухого порошкового лекарственного средства. Главным образом это относится к лекарственным препаратам с системным воздействием, где обычно требуется осаждение лекарства в глубокие отделы легкого. Кроме того, для локального воздействия лекарственных средств, где обычно предпочтительным является локальное осаждение в легких, высокая степень деагрегации лекарственного порошка является преимуществом. В предпочтительном случае система деагрегации должна быть нечувствительна, насколько это возможно, к воздействию дыхания потребителя с тем, чтобы доставляемое распределение аэродинамического размера частиц во вдыхаемый воздух не зависело от усилия при вдохе. Средний аэродинамический размер частиц, который влияет на картину осаждения в легких, может контролироваться регулированием первичного распределения размера частиц, составляющих порошок.

В известных ингаляторах обычной практикой является введение специальных устройств, например разделителей и/или внешних источников энергии, с целью усиления энергии дыхания, создаваемой потребителем во время дыхательного акта, предназначенных для улучшения эксплуатационных качеств с точки зрения предсказуемости и повторяемости процессов деагрегации и дозирования. Наличие дополнительных источников энергии приводит к большему усложнению и удорожанию ингаляторов, чем это требуется, а также увеличивает требования, возлагаемые на потребителя по уходу за ингалятором.

На протяжении ряда лет проводились испытания множества способов и устройств с целью усовершенствования эксплуатационных качеств систем доставки лекарственных средств, основанных на ингаляции. Например, в патенте США №480505, датированном еще 9 августа 1892, описывается назальное респираторное устройство, которое содержит сетчатый материал и приспособлено для размещения пористой среды, пропитанной медикаментом. Сетки, экраны или мембраны с пустотами хорошо известны специалистам, как компоненты многих ингаляторных устройств, либо в качестве носителей лекарственных средств, либо элементов, облегчающих высвобождение дозы для потребителя. Пример известного ингаляторного устройства, использующего перфорированную мембрану в качестве распределительного элемента для активного состава медикамента, описан в Европейском патенте ЕР 0069715 В1 с датой приоритета 08.07.1981. В этом патенте описывается ингалятор, содержащий насадку, воздуховод и сменный распределительный элемент в виде перфорированной мембраны, предназначенный для подачи медикамента из контейнера для хранения в воздуховод. Носители сухого порошкового медикамента в ингаляторе с пустотами, предназначенными для улучшения деагрегации сухого порошка, рассмотрены в нескольких более поздних документах, например, в патентах США №5388572, 5388573, 5460173, 5647347, 5823182, 6245339 В1 и в публикациях ВОИС № WO 94/20164, WO 98/04308. Носители и способы, затронутые в упомянутых документах, характеризуются тем, что порошкообразным медикаментом осуществляют пропитку или вводят его в пустоты и через них в разнесенные участки в носителе, формируя таким образом не менее одной дозы медикамента. Затем дозу вводят в канал, соединенный с мундштуком. При вдохе потребителя через мундштук создаваемый поток воздуха заставляет частицы агрегированного сухого порошка дозы, загруженного на носитель или в него, высвобождаться в воздух и деагрегироваться посредством срезающего усилия, создаваемого воздухом по мере его прохождения через пустоты и мимо агрегированных частиц порошка. Таким образом, основной целью носителя сеточного или экранного типа, представленного в упомянутых документах, является содействие деагрегации дозы. Однако в примерах некоторых из этих документов показаны напорные камеры или устройства, подобные им, предназначенные для создания воздушного импульса высокого давления, в одном случае равного 70 psig (490 кПа), необходимого для выдувания дозы из носителя. Давление в 490 кПа приблизительно в 100 раз превышает перепад давления, создаваемый вдохом потребителя. Обычный вдох взрослого человека создает давление около 5 кПа, поэтому для создания импульса воздуха необходимо наличие внешних источников энергии. Предложенные способы оказываются ограниченными с точки зрения большой дозы, поскольку они применимы лишь для весьма маленьких доз. Данные способы также предлагают использование упорядоченных смесей активного вещества и некоторого наполнителя для дополнительного улучшения деагрегации, который дополнительно ограничивает массу активного медикамента в дозе.

Другой пример ингаляционного устройства, имеющего отношение к решению проблемы деагрегации, раскрыт в патенте США №5694920, а дополнительные усовершенствования ингалятора раскрыты в патентах США №6026809 и 6142146. В данных изобретениях показано, что деагрегацию лекарственного порошка можно производить посредством вибратора, который непосредственно или косвенно передает механическую энергию соответствующей частоты и мощности порошку. При этом происходит псевдоожижение порошка и его деагрегация. Частицы с размером, подходящим для вдыхания, затем поднимаются из псевдоожиженного порошка и вводятся в струю воздуха посредством электрического поля соответствующей напряженности, созданного поперек струи воздуха. Затем частицы доставляются потребителю струей воздуха. Очевидно, что в данном случае необходимо наличие внешней энергии в электромеханической форме для достижения деагрегации, которая, однако, оказывается удачной лишь частично. Известные способы, достигающие высокой степени деагрегации и диспергирования в воздух сухого лекарственного порошка, требуют больших уровней мощности для осуществления деагрегации.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В данном изобретении описывается устройство и приспособление, предназначенные для эффективной деагрегации и диспергирования в воздухе тонко измельченного лекарственного порошка. В противоположность известным техническим решениям данное изобретение не требует других источников энергии, за исключением энергии усилия вдоха, осуществляемого потребителем, которая используется для создания очень высокой степени деагрегации и эффективного диспергирования в воздухе сухого порошка.

Описываются устройство и приспособление, в которых предлагается воздушный отсекатель порошка, предназначенный для деагрегации и диспергирования в воздухе тонко измельченного лекарственного порошка. При использовании усилия всасывании воздуха через насадку частицы порошка, получающие доступ к насадке, постепенно деагрегируются и диспергируются в струе воздуха, поступающего в насадку. Постепенная деагрегация и диспергирование создаются движением насадки и порошка относительно друг друга. В предпочтительном варианте выполнения порошок осаждают на подложку, причем накопленный порошок занимает площадь, большую, чем площадь входного отверстия насадки. Насадка в предпочтительном случае расположена снаружи площади порошка, не получая доступа к порошку за счет относительного движения до тех пор, пока струя воздуха в насадке, создаваемая всасыванием, не пройдет пороговую величину скорости потока. Совместно с всасыванием, или чуть позже, начинается относительное движение с постепенным пересечением насадкой заряда порошка. Воздух, проходящий во входное отверстие насадки с высокой скоростью, обеспечивает достаточные срезающие напряжения и энергию удара, при ударе проходящего воздуха о переднюю точку границы контура накопленного порошка. Это воздействие воздушного отсекателя порошка, создаваемое срезающим напряжением и ударом струи воздуха, является настолько мощным, что частицы конгломератов частиц в порошке, расположенные рядом с входным отверстием двигающейся насадки высвобождаются, деагрегируются до очень высокой степени, а также диспергируется и затем увлекаются созданной струей воздуха, проходящей через насадку.

Устройство воздушного отсекателя порошка, предназначенное для деагрегации и диспергирования отмеренной дозы по данному изобретению представлено независимыми пунктами. 1 и 15 формулы изобретения, а дополнительные варианты выполнения определены зависимыми пунктами 2-12 и 16-23 формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Данное изобретение, а также его цели и достоинства лучше всего можно понять, обратившись к приведенному ниже подробному описанию совместно и прилагаемым чертежам, на которых:

фиг.1а иллюстрирует вариант выполнения устройства воздушного отсекателя порошка в исходном положении;

фиг.1b иллюстрирует вариант выполнения устройства воздушного отсекателя порошка на стадии высвобождения порошка;

фиг. 2а иллюстрирует другой вариант выполнения устройства воздушного отсекателя порошка в исходном положении;

фиг. 2b иллюстрирует другой вариант выполнения устройства воздушного отсекателя порошка на этапе высвобождения порошка;

фиг.3а иллюстрирует еще один вариант выполнения устройства воздушного отсекателя порошка в исходном положении;

фиг.3b иллюстрирует еще один вариант выполнения устройства воздушного отсекателя порошка на стадии высвобождения порошка;

фиг.4а иллюстрирует еще один вариант выполнения устройства воздушного отсекателя порошка в исходном положении;

фиг.4b иллюстрирует еще один вариант выполнения устройства воздушного отсекателя порошка на стадии высвобождения порошка;

фиг.5 иллюстрирует высвобождение, деагрегирование, диспергирование и перенесение воздухом лекарственного порошка с помощью воздушного отсекателя порошка;

фиг.6 иллюстрирует элемент подложки с зарядом порошка на нем и насадку с эллиптическим входным отверстием;

фиг.7 иллюстрирует вариант выполнения воздушного отсекателя порошка и дозирующего элемента в загруженном состоянии перед высвобождением;

фиг.8 иллюстрирует вариант выполнения воздушного отсекателя порошка и дозирующего элемента сразу после начала высвобождения дозы порошка;

фиг.9 иллюстрирует вариант выполнения ингалятора, содержащего воздушный отсекатель порошка и дозирующий элемент;

фиг.10 иллюстрирует вариант выполнения входного отверстия насадки и картину распределения скорости воздуха, возникающеую во время приложения усилия всасывания;

фиг.11 иллюстрирует различные силы, действующие на неподвижную частицу, расположенную в струе воздуха;

фиг.12 иллюстрирует функциональную зависимость скорости текучей среды от расстояния до объекта для ламинарного и турбулентного потоков; и

фиг.13 иллюстрирует функциональную зависимость количества высвобожденных в воздух частиц от времени.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В данном изобретении описывается воздушный отсекатель порошка, предназначенный для деагрегации и диспергирования в воздух сухого лекарственного порошка. В изобретении показано, что тонко измельченный сухой лекарственный порошок может быть доставлен потребителю с высокой степенью деагрегации порошка. В данном изобретении предлагается воздушный отсекатель порошка и приспособление для достижения поставленной цели.

Важным элементом воздушного отсекателя является движение насадки и порошка относительно друг друга. В данном документе термин «относительное движение» применяется к не взвешенному в воздухе порошку, который находится в более или менее агрегированном виде и постепенно передвигается, собственно говоря, посредством перемещения в непосредственную близость к указанной насадке, где возможны деагрегирование и диспергирование в воздух отдельных частиц порошка, осуществляемые воздушным отсекателем. Данный термин не относится к взвешенным в воздухе частицам порошка, уже увлеченным воздухом. Следовательно, упоминание термина «движение» или «движущийся» по отношению к «порошку» относится к контуру порошка перед высвобождением частиц порошка и диспергированием их в воздух.

Лекарственный порошок содержит по меньшей мере одно фармакологически активное вещество и, возможно, по меньшей мере один эксипиент. В данном документе термины «порошок» или «лекарственный порошок» используются для обозначения вещества в виде сухого порошка, который подвергается деагрегации и диспергированию в воздух по предлагаемому изобретению и предназначен для осаждения в выбранной области дыхательных путей потребителя для направленного воздействия. Необязательные эксипиенты могут или не могут деагрегироваться способом, подобным деагрегации фармакологического вещества, в зависимости от состава порошка. Например, упорядоченная смесь содержит эксипиент, характеризующийся значительно более крупными частицами, чем частицы фармакологически активного вещества.

Предпочтительный вариант выполнения данного изобретения проиллюстрирован фиг.1а, на котором в сечении А-А показан пример лекарственного порошка 180, осажденного на поверхности элемента 141 подложки, и насадка 1 в исходном положении перед высвобождением порошка, которая расположена на той же стороне элемента подложки, что и порошок. Фиг.1b иллюстрирует насадку, движущуюся относительно элемента подложки, и показывает, как порошок 180 высвобождается, деагрегируется и диспергируется в воздух 20 с поверхности элемента 141 подложки струей воздуха, ударяющей в порошок перед входом во входное отверстие движущейся насадки, представляющей воздушный отсекатель порошка.

Другой вариант выполнения проиллюстрирован фиг.2а, где в сечении А-А показан пример лекарственного порошка 180, осажденного на поверхности перфорированного элемента 140 подложки, и на той же стороне элемента подложки, где находится порошок, показана насадка 1 в исходном положении перед высвобождением порошка. Фиг.2b иллюстрирует насадку, движущуюся относительно подложки, и показывает, как порошок высвобождается, деагрегируется и диспергируется в воздух 20 с поверхности элемента подложки струей воздуха, сначала проходящей через перфорацию, а затем через порошок во входное отверстие движущейся насадки, представляющей воздушный отсекатель порошка.

Еще один вариант выполнения воздушного отсекателя порошка проиллюстрирован фиг.3а, подобном фиг.2а, но с порошком 180, осажденным на нижнюю сторону подложки, и с насадкой 1, расположенной в исходном положении рядом с верхней противоположной стороной элемента 140 подложки перед высвобождением порошка. Фиг.3b иллюстрирует высвобождение, деагрегирование и диспергирование порошка с поверхности элемента подложки струей воздуха, проходящей через перфорацию во входное отверстие движущейся насадки, в общем, на противоположной стороне элемента подложки, при этом движущаяся насадка представляет воздушный отсекатель. Еще один вариант выполнения воздушного отсекателя порошка проиллюстрирован фиг.4а, подобном фиг.2а и фиг.3а, где лекарственный порошок осажден на обеих поверхностях 180А и 180В перфорированного элемента 140 подложки. Представляющая воздушный отсекатель порошка насадка 1 у стороны 180А расположена в исходном положении перед высвобождением порошка. Фиг.4b иллюстрирует струю воздуха, имеющую доступ к порошку на стороне 180В, затем проходящую через перфорацию и получающую доступ к порошку на стороне 180А перед прохождением во входное отверстие насадки, находящейся в относительном движении.

Фиг.5 в сечении А-А иллюстрирует детальный пример лекарственного порошка, осажденного на поверхности элемента подложки, и насадку, совершающую относительное движение и представляющую воздушный отсекатель порошка при высвобождении, деагрегировании, диспергировании и увлечении порошка воздухом.

Фиг.6 иллюстрирует вид сверху элемента 141 подложки с зарядом порошка 180 на нем и насадку 1 с эллиптическим входным отверстием 3, а также элемент подложки, порошок и насадку в сечении А-А перед тем, как насадка 1 начала относительное движение в направлении порошка 180.

Фиг.7 иллюстрирует вариант выполнения воздушного отсекателя порошка в качестве ингалятора и показывает дозирующий элемент 4, содержащий шесть элементов 140 или 141 подложки, каждый из которых снабжен отмеренной дозой порошка 180. Насадка 1, часть всасывающей трубки 33 и дозирующий элемент 4 с одним из элементов 140 или 141 подложки находятся в положениях высвобождения объема порошка. При высвобождении дозирующего элемента 4 пружиной 9 (высвобождающий механизм здесь не показан, но обозначен на фиг.9) дозирующий элемент 4 приходит в движение, переносящее элемент 140 (141) подложки, включая порошок 180, мимо насадки 1. Пневматический тормоз 22 регулирует скорость дозирующего элемента и тем самым высвобождает отрезок порошка 180, который постепенно всасывается посредством струи 20 воздуха (не показана), проходящей в насадку 1 за счет всасывания, приложенного к всасывающей трубке 33. Перед насадкой может быть установлен резак 11 для фольги, такой, что если доза защищена фольгой, то она будет сначала разрезана, открыта и отогнута для обеспечения насадке полного доступа к порошку.

Фиг.8 иллюстрирует воздушный отсекатель порошка в действии, т.е. показано, как, по мере введения в движение относительно друг друга дозирующего элемента и всасывающей трубки 33, насадка 1 и струя воздуха (не показана) постепенно получают доступ к порошку 180, осажденному на одном из элементов 140 или 141 подложки.

Фиг.9 иллюстрирует вариант выполнения ингалятора 8, содержащего воздушный отсекатель порошка, а также дозирующий элемент 4, содержащий один или несколько элементов 140 или 141 подложки, на каждом из которых имеется отмеренная доза порошка 180, предназначенная для последовательного введения потребителю. Механизм 16, приводимый в действие дыханием, позволяет воздуху войти внутрь и освобождает стопор 12, удерживающий дозирующий элемент (загружающий и полный механизм освобождения не показаны) при достаточно сильном всасывании, приложенном к мундштуку 19, сообщающемуся с всасывающей трубкой 33.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ КОНЦЕПЦИИ ВОЗДУШНОГО ОТСЕКАТЕЛЯ ПОРОШКА

Слипание частиц

Частицы, прилегающие к другим частицам или элементу подложки, будут прилипать друг к другу. Множество различных видов адгезионных сил оказывают влияние на результирующую адгезионную силу между частицей и ее окружением, которое может быть другой частицей, конгломератом частиц, элементом подложки или их сочетанием. Адгезионные силы, воздействующие на частицу, могут быть силами Ван-дер-Ваальса, силами капиллярного притяжения, электрическими силами, электростатическими силами и т.д. Относительные величины и диапазоны изменения этих сил меняются в зависимости, например, от материала, среды, размера и формы частицы. Результирующая всех этих сил, воздействующая на частицу, далее будет упоминаться как адгезионная сила.

Деагрегация и увлечение частиц

Основной целью воздушного отсекателя является деагрегация и увлечение осажденных частиц в струю воздуха. Частицы могут быть загружены на элемент подложки в виде множества слоев, при этом некоторые частицы будут находиться в контакте с элементом подложки, а остальные будут находиться в контакте только с другими частицами. Полной деагрегацией является разделение между собой всех частиц. Отделение частицы от ее окружения включает преодоление адгезионной силы и силы трения, воздействующих на частицу.

Фиг.12 иллюстрирует силы, воздействующие на частицу. Сила, вызываемая потоком воздуха 303, воздействующим на частицу 101, может быть разделена на две составляющие: влекущую силу 305, которая действует параллельно потоку воздуха, и подъемную силу 304, действующую перпендикулярно потоку воздуха. Условием освобождения частицы в случае статики является превышение подъемной силой и влекущей силой адгезионной силы 301 и силы 302 трения.

Для полного или почти полного деагрегирования частиц недостаточно воздействия на них силы, достаточной для их высвобождения и увлечения. При воздействии на конгломерат частиц значительной силы, более или менее одинаково воздействующей на все частицы, конгломерат частиц будет увлечен в поток воздуха без осуществления деагрегирования. Условие деагрегирования можно сформулировать следующим образом: разность внешних сил, воздействующих на две частицы, должна преодолевать адгезионную силу и силу трения, которые удерживают частицы вместе. Эффективно получить различие в силе от потока воздуха можно созданием срезающих усилий, и поэтому в предлагаемом воздушном отсекателе используются большие срезающие усилия в области порошка, осажденного, например, на элемент подложки.

Срезающие усилия

Создание больших срезающих усилий предполагает создание большого градиента скорости в потоке, который проиллюстрирован уравнением для срезающего напряжения в текучей среде:

где

μ - динамическая вязкость,

U(y) - скорость воздуха U в зависимости от у,

у - расстояние от поверхности стенки,

dU/dy- изменение скорости на единицу расстояния.

Для создания большого срезающего напряжения и, тем самым, больших срезающих усилий, действующих на частицы, в воздушном отсекателе используются следующие основные принципы:

- высокая скорость струи воздуха;

- использование линий тока потока вблизи стенки;

- использование турбулентного потока (побочный эффект при высокой скорости).

Поток высокой скорости

Поток высокой скорости является первопричиной больших срезающих усилий (вблизи стенки), влекущих сил, подъемных сил и возникновения турбулентности. Для заданного перепада давления, управляющего потоком воздуха, целью является достижение максимальной скорости. Теоретическое значение максимальной скорости, возникающей при некотором статическом перепаде давления, может быть выведено с использованием теоремы Бернулли для линии тока. В реальных условиях всегда будет иметь место рассеивание энергии, и скорость не будет достигать уровней, полученных из этого уравнения, но она может быть использована в качестве предельного значения:

где

р - статическое давление

ρ - плотность жидкости

u - скорость

Н - константа

Данное уравнение называется теоремой Бернулли для линии тока. Н является константой вдоль линии тока для «идеальной» жидкости. Гидростатическое давление в данном случае из уравнения исключено.

Эффективность способа воздушного отсекателя может быть оптимизирована тщательным построением геометрии элементов, включенных в поток, с целью создания в области деагрегации настолько высокой скорости, насколько это возможно, но в то же время обеспечения плавного переноса воздуха в других областях. Это сведет к минимуму потери рассеивания там, где это нежелательно, и сохранит энергию для ее использования в области, расположенной рядом с порошком. При приложении к насадке всасывающего усилия, возникает низкое давление, которое ускоряет прохождение воздуха через насадку во время короткого периода перед достижением условия устойчивого состояния. Первоначально во время периода запуска, так как воздух набирает скорость медленно, скорость является недостаточно высокой для того, чтобы создать необходимые срезающие усилия. В предпочтительном случае, во время этого первоначального периода, воздушный отсекатель останавливается перед тем, как порошок на элементе подложки будет подведен к насадке. Это обеспечивает наличие условий эффективной деагрегации порошка до того, как на точку у границы контура порошка воздействует струя воздуха.

Поток, проходящий вблизи стенки

Поток высокой скорости, проходящий вблизи стенки создает высокие срезающие усилия, используемые в данном изобретении. Скорость потока при нулевом расстоянии от стенки всегда равна нулю. Это обстоятельство известно как условие «сцепления» и оно верно для всех жидкостей. В тонком слое, расположенном вблизи стенки, скорость потока быстро возрастает по мере удаления от стенки, и, соответственно, в этом пограничном слое возникает большое срезающее напряжение. Этот пограничный слой может иметь ламинарный или турбулентный характер. Эпюра и градиент скорости турбулентного и ламинарного пограничных слоев различаются, в турбулентном слое градиенты скорости более высокие, соответственно, и срезающее напряжение. В предлагаемом воздушном отсекателе используется усиленный поток, идущий вблизи внутренней части стенки насадки, а также к границе элемента подложки, и особенно, к маленькому зазору между стенкой отверстия на входе насадки и элементом подложки.

Область, испытывающая высокое срезающее напряжение, обычно меньше области, занятой порошком. Поэтому вводят движение насадки и порошка относительно друг друга. Это позволяет сосредоточенной небольшой области высокого срезающего напряжения пересечь, например, все количество порошка на элементе подложки.

Турбулентный поток

На фиг.13 показаны в виде диаграммы типичные характеристики скорости для ламинарных 311 и турбулентных 310 пограничных слоев. Градиент скорости и, соответственно, срезающее напряжение больше в турбулентном слое. Турбулентный поток, как в пограничном слое, так и в свободно струящемся потоке, характеризуется неустановившимся потоком с завихрениями различных размеров и частоты. Турбулентный поток является неустойчивым как во времени, так и в пространстве. В любой конкретный момент можно наблюдать высокие градиенты скорости и, таким образом, является очевидным, что в турбулентном потоке, проходящем в стороне от поверхностей стенок, имеется высокое срезающее напряжение. Это означает, что конгломераты частиц могут быть деагрегированы внутри турбулентной струи воздуха даже после увлечения в воздух конгломератов частиц. Другое преимущество турбулентности зависит от изменений турбулентного потока во времени, что вызывает воздействие на частицы с меняющимся по времени усилием. В полностью развившейся турбулентности частота пульсаций покрывает большой интервал, т.е. изменяется от низких до высоких частот. Если частота изменяющегося усилия приближается к резонансной частоте системы частица-частица или системы частица-стенка, его амплитуда возрастает и процесс разделения возможен, даже при слишком слабом для разделения статическом усилии.

Критерием определения турбулентного характера потока является число Рейнольдса с учетом геометрии канала переноса жидкости. Абсолютный уровень числа Рейнольдса, где имеет место переход ламинарного потока в турбулентный поток, зависит от шероховатости поверхности и указанной геометрии. При сохранении этих констант значение числа Рейнольдса определяет природу потока. Как показано ниже, число Рейнольдса пропорционально скорости, поэтому скорость имеет непосредственное влияние на турбулентность.

где

R_e - число Рейнольдса,

U_∞ - скорость свободной струи,

L - характерная длина,

ν - кинематическая вязкость.

Перемещение воздушного отсекателя

Важность срезающих усилий для эффективности деагрегации частиц и теоретические предпосылки этого были обсуждены ранее. Движение насадки относительно порошка, т.е. элемента подложки, который обычно служит носителем, является инструментом в достижении и поддержании необходимых условий, установленных для деагрегации всего заряда порошка, а не только его части.

Основные преимущества, которые дает это движение, заключаются в следующем:

- во время первоначальной фазы ускорения за счет силы инерции наращивается высокая скорость потока воздуха;

- срезающие усилия вблизи стенки распределяются на большую область;

- происходит эффективное использование энергии.

Наращивание за счет силы инерции

Низкое давление, создаваемое за счет всасывания через насадку, заставляет воздух проходить в направлении области низкого давления. Нарастающая сила инерции означает ускорение массы в системе, т.е. массы самого воздуха, что создает необходимую высокую скорость потока воздуха после периода ускорения. Скорость потока увеличивается до момента, когда из-за сопротивления потока ее дальнейшее увеличение становится невозможным, если не снижается уровень низкого давления, т.е. увеличивается перепад давления, или уменьшается сопротивление потока.

Распределение срезающих усилий

Область деагрегации с высокими срезающими усилиями сосредоточена около стенки насадки. Эта область концентрации является небольшой по сравнению с областью дозы на элементе подложки, особенно если доза содержит тонко измельченный порошок с высокой пористостью. Движение насадки и дозы относительно друг друга вынуждает небольшую сосредоточенную область большого срезающего напряжения пересекать область, занятую дозой. В зависимости от реального пространственного распределения порошка в вытянутой дозе и расстояния, перпендикулярного к направлению движения между порошком и входным отверстием насадки, может произойти соприкосновение насадки с некоторым количеством порошка. В этом случае эффективность способа воздушного отсекателя не будет подвергаться нежелательному воздействию из-за эффекта «пылесоса». На скорость потока воздуха не будет влиять движение насадки относительно дозы порошка, потому что скорость относительного движения гораздо меньше скорости потока воздуха, проходящего во вход насадки. Однако движение насадки принудительно сдвигает положение управляющей области низкого давления относительно контура дозы в направлении движения. Таким образом, область больших срезающих усилий перемещается по траектории, регулируемой таким относительным движением насадки, что высокие срезающие усилия постепенно диспергируют частицы порошка в воздух. В предпочтительном случае данная траектория начинается точно с точки контакта области больших срезающих усилий проходящего воздуха с границей контура дозы порошка и идет по очертанию контура от начала до конца. Таким образом, постепенная деагрегация и диспергирование лекарственного порошка является существенной неотъемлемой характеристикой способа использования воздушного отсекателя.

Область больших срезающих напряжений, расположенная рядом с насадкой, проиллюстрирована фиг.10. Фиг.10 графически иллюстрирует результирующую скорость воздуха, возникающую при приложении всасывающего усилия к выходному отверстию насадки, как функцию координат в плоскости, перпендикулярной к плоскости элемента подложки по продольной осевой линии, т.е. в виде поперечного сечения насадки 1. Скорость воздуха проиллюстрирована множеством стрелок, ориентированных в направлении потока, причем длина стрелок обозначает относительную скорость воздуха в рассматриваемой точ