Author(s):  
Jinho Kim ◽  
Jim S. Chen

Inhaled Pharmaceutical Aerosols (IPAs) delivery has great potential in treatment of a variety of respiratory diseases, including asthma, pulmonary diseases, and allergies. Aerosol delivery has many advantages. It delivers medication directly to where it is needed and it is effective in much lower doses than required for oral administration. Currently, there are several types of IPA delivery systems, including pressurized metered dose inhaler (pMDI), the dry powder inhaler (DPI), and the medical nebulizer. IPAs should be delivered deep into the respiratory system where the drug substance can be absorbed into blood through the capillaries via the alveoli. Researchers have proved that most aerosol particles with aerodynamic diameter of about 1–5 μm, if slowly and deeply inhaled, could be deposited in the peripheral regions that are rich in alveoli [1–3]. The purpose of this study is to investigate the effects of various inhaling rates with breath-holding pause on the aerosol deposition (Dp = 0.5–5 μm) in a human upper airway model extending from mouth to 3rd generation of trachea. The oral airway model is three dimensional and non-planar configurations. The dimensions of the model are adapted from a human cast. The air flow is assumed to be unsteady, laminar, and incompressible. The investigation is carried out by Computational Fluid Dynamics (CFD) using the software Fluent 6.2. The user-defined function (UDF) is employed to simulate the cyclic inspiratory flows for different IPA inhalation patterns. When an aerosol particle enters the mouth respiratory tract, its particles experience abrupt changes in direction. The secondary flow changes its direction as the airflow passes curvature. Intensity of the secondary flow is strong after first bend at pharynx and becomes weaker after larynx. In flow separation, a particle can be trapped and follow the eddy and deposit on the surface. Particle deposition fraction generally increases as particle size and inhaling airflow velocity increase.


Author(s):  
Beatriz Noriega-Fernandes ◽  
Maria Malmlöf ◽  
Mattias Nowenwik ◽  
Per Gerde ◽  
M Luisa Corvo ◽  
...  

2012 ◽  
Author(s):  
Γιόβανα Μιλένκοβιτς

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.


2021 ◽  
Vol 42 (1) ◽  
pp. 30-35 ◽  
Author(s):  
Donald P. Tashkin ◽  
Arkady Koltun ◽  
Róisín Wallace

Background: A generic combination of fluticasone propionate and salmeterol xinafoate inhalation powder in a premetered, multidose, nonreusable inhaler was recently approved. Objective: To assess the performance of the generic device. Methods: Findings from three studies with regard to device usability, function, and robustness were reviewed. Results: In a study to assess device function in patients and healthy volunteers, the generic device was successfully used by patients with asthma and chronic obstructive pulmonary disease who were either dry powder inhaler users or dry powder inhaler‐naive, even though they were not trained beyond being provided the instructions for use. In a study to measure inhaled flow rates generated by patients and healthy volunteers, the generic device consistently simulated the delivery of a full dose of drug, even to patients with severe respiratory disease and reduced inspiratory flow rates. Although the generic device had a slightly higher airflow resistance, this study demonstrated that this difference did not result in any clinically meaningful differences in terms of drug delivery. Pressure drop, a key parameter that drives the fluidization and aerosolization of the powder dose, was found to be comparable between the devices. In an open-label study, the generic device met all U.S. Food and Drug Administration specifications for device robustness after 21.5 days of twice-daily dosing via oral inhalation among 111 participants with asthma or chronic obstructive pulmonary disease. All inhalers tested demonstrated conformity with a pharmacopeia with respect to key quality parameters (assay, delivered dose uniformity, aerodynamic size distribution). There was no evidence of chemical degradation of the active ingredients, nor of microbial or water ingress into the powder, as a result of inhaler use.


Pharmaceutics ◽  
2021 ◽  
Vol 13 (2) ◽  
pp. 189
Author(s):  
Zhanying Zheng ◽  
Sharon Shui Yee Leung ◽  
Raghvendra Gupta

Dry powder inhaler (DPI) is a device used to deliver a drug in dry powder form to the lungs. A wide range of DPI products is currently available, with the choice of DPI device largely depending on the dose, dosing frequency and powder properties of formulations. Computational fluid dynamics (CFD), together with various particle motion modelling tools, such as discrete particle methods (DPM) and discrete element methods (DEM), have been increasingly used to optimise DPI design by revealing the details of flow patterns, particle trajectories, de-agglomerations and depositions within the device and the delivery paths. This review article focuses on the development of the modelling methodologies of flow and particle behaviours in DPI devices and their applications to device design in several emerging fields. Various modelling methods, including the most recent multi-scale approaches, are covered and the latest simulation studies of different devices are summarised and critically assessed. The potential and effectiveness of the modelling tools in optimising designs of emerging DPI devices are specifically discussed, such as those with the features of high-dose, pediatric patient compatibility and independency of patients’ inhalation manoeuvres. Lastly, we summarise the challenges that remain to be addressed in DPI-related fluid and particle modelling and provide our thoughts on future research direction in this field.


Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document