采用带螺旋通道嘴部的干粉吸入器的药物输送性能提升

《International Journal of Pharmaceutics》：Drug delivery performance improvement of dry powder inhalers with a spiral channel featured mouthpiece

螺旋式干粉吸入器结构优化及流场颗粒行为研究，采用CFD/DPM耦合模拟分析螺旋参数对气流与颗粒动力学影响，证实7mm螺距下出口速度提升2.44倍，湍动能增强，颗粒驻留时间增加43%，有效促进颗粒分散与肺递送效率。

霍文超|刘坤|刘振伟|程颖|李萍

中国陕西省西安市西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室，邮编710049

摘要

本文提出了一种新型的干粉吸入器（Swirling-DPI），其特点是采用螺旋通道设计，旨在提高药物颗粒的解聚效果和肺部输送效率。通过计算流体动力学（CFD）与离散粒子方法（DPM）相结合的仿真研究，系统探讨了螺旋几何参数（如螺距5毫米至9毫米、通道内径3毫米至7毫米以及截面形状（梯形和圆形）对气流特性和颗粒行为的影响。研究结果表明，螺旋几何结构显著改变了流场和颗粒运动规律，并优化了颗粒的撞击效果。在螺距为7毫米的Swirling-DPI中，不含药物的200微米载体颗粒的出口速度是传统雾化器的2.44倍，这降低了载体颗粒进入肺部的可能性，从而促进了药物颗粒的输送。与传统的雾化器相比，7毫米螺距的Swirling-DPI具有更高的湍流动能（TKE）。200微米载体颗粒的停留时间增加了43%，撞击能量也更高，表明其具有更强的解聚潜力。圆形截面降低了流动阻力并减少了颗粒滞留现象，同时保持了较高的湍流动能水平。对颗粒和流场的综合研究表明，螺旋结构延长了大颗粒的运动轨迹，增加了颗粒的撞击频率。对比分析证实，Swirling-DPI是一种有效优化药物空气动力学特性和输送效果的方法，表现出优异的颗粒撞击促进能力和湍流动能提升效果。

引言

肺部药物输送是一种治疗慢性阻塞性肺病（COPD）和哮喘等肺部疾病的有效方法，通过口服吸入将活性药物成分（API）输送到肺部以发挥治疗效果（Thakur等人，2020年）。由于肺部具有较大的表面积、较高的渗透性和良好的血液供应，这种方法能有效提高药物的生物利用度和治疗效果（Peng等人，2016年）。干粉吸入器（DPI）是肺部药物输送的重要设备，具有性能稳定、操作简便和便携性等优点（Chandel等人，2019年）。市场上最常见的两种DPI类型分别是含载体的DPI和无载体的DPI（Zhang等人，2025年）。这两种设备分别使用乳糖载体包裹药物颗粒或药物聚集体。无论如何，药物颗粒的输送效率决定了肺部药物输送的效果（Gou等人，2025年）。

在DPI中，药物颗粒的解聚和分散是评估其输送性能的关键因素。为了有效提升DPI的性能，研究颗粒在吸入器内的运动规律至关重要（Zhang等人，2025年）。颗粒在DPI内的解聚主要受颗粒与壁面的撞击作用和空气动力学力的影响（Donovan等人，2012年；Alfano等人，2022年）。颗粒大小（Tong等人，2017年）、颗粒撞击能量（Zhu等人，2024年）以及颗粒停留时间（Jiang等人，2012年）都会影响颗粒与壁面的撞击，进而影响颗粒的解聚。此外，颗粒的出口速度与颗粒在咽喉处的沉积有关（Coates等人，2007年），并与细颗粒的剂量呈线性相关（Chen等人，2013年）。因此，促进颗粒撞击和调节颗粒速度对于促进颗粒解聚和分散至关重要。颗粒行为还受到流场的影响，从而影响DPI的性能（Benque和Khinast，2021年；Shur等人，2012年）。

许多研究利用计算流体动力学（CFD）和离散粒子方法（DPM）来分析DPI内的流场变化和颗粒行为（Longest等人，2019年；Zheng等人，2021年）。通过流场细节可以预测颗粒的解聚和分散特性（Coates等人，2006年）。较高的湍流动能可以提升DPI的气溶胶化和分散性能（Ye等人，2022年）。具体而言，湍流动能的增加可以提高颗粒撞击程度，促进颗粒解聚，并提高雾化效率（Suwandecha等人，2014年）。在DPI的研究中，流场的湍流强度可以有效反映颗粒的解聚程度和吸入器的输送性能（Dhoble等人，2024年）。然而，关于旋流效应对流场变化和颗粒行为的影响机制仍需进一步研究。

通过引导患者吸入DPI内部的特定结构，可以产生旋流，从而在流场中引入强烈的湍流（Chen等人，2024年）。这显著影响了药物颗粒在肺部的流化、解聚和沉积过程（Chaugule等人，2023年；Azeem等人，2023年）。作为患者与DPI之间的直接接口，吸嘴对吸入器的空气动力学性能至关重要。Turbuhaler的螺旋吸嘴能够增强颗粒与壁面的撞击作用（Lee等人，2018年；Zhu等人，2024年），从而提高雾化效率。减小吸嘴直径可以显著提升DPI的颗粒输送性能（Ye等人，2023年）。修改吸嘴壁结构（Kim等人，2022年）和控制吸嘴内部截面形状（Chaugule等人，2023年）可以有效增加DPI内的湍流强度，从而增强颗粒解聚能力。因此，进一步研究DPI吸嘴结构有助于理解内部旋流机制与颗粒行为之间的关系，进而揭示性能提升的效果。

本文提出了一种新型的旋流干粉吸入器（Swirling-DPI），其吸嘴部分采用了螺旋通道设计。首先比较了不同的DPI结构，并分析了颗粒在DPI内的运动行为。随后研究了颗粒的出口速度和停留时间。最后，通过分析流场变化阐明了颗粒在DPI内的解聚和分散机制，从而解释了旋流机制和DPI的输送过程。

章节摘录

物理模型和边界条件

雾化器是一种常用的干粉吸入器，其尺寸数据见表1。雾化器的内部流体域如图1(a)所示，由四个部分组成：吸嘴、网格、旋流室和胶囊室。在原有直通道设计的基础上，我们在吸嘴部分引入了螺旋通道设计，从而设计出了旋流干粉吸入器（Swirling-DPI），其几何模型如图1(b)所示。

结果与讨论

本节对具有不同螺旋特性的Swirling-DPI进行了全面分析，包括螺距、通道内径和截面形状等参数。DPI的药物输送性能通过内部颗粒的解聚和分散行为来体现。

结论

本文提出了一种新型的Swirling-DPI，其吸嘴结构基于雾化器设计。通过比较不同螺距、通道内径和螺旋截面形状的DPI，研究了颗粒行为和流场变化。总结了颗粒撞击能量和流场湍流动能的情况。还对Swirling-DPI内的旋流机制进行了流场分析。

作者贡献声明

霍文超：撰写初稿、方法论设计、概念构思。刘坤：数据验证、数据处理。刘振伟：数据可视化、软件开发。程颖：数据可视化、验证、方法论设计。李萍：撰写修订、资源管理、项目协调、方法论设计。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：51976152）的支持。