劉佳鑫張偉昊

1 重慶市第一中學(xué) （重慶 4 00030）

2 重慶大學(xué) （重慶 400044）

藥物吸收儀攪拌裝置的研究與設(shè)計(jì)

劉佳鑫1張偉昊2

1 重慶市第一中學(xué) （重慶 4 00030）

2 重慶大學(xué) （重慶 400044）

針對(duì)藥物吸收儀模擬藥物在胃蠕動(dòng)時(shí)與胃液混合的溶解過(guò)程，論文設(shè)計(jì)了一種推進(jìn)式和螺桿-螺帶式相結(jié)合的槳葉,其攪拌效果能一定程度模擬藥物在胃內(nèi)的消化過(guò)程，為藥物吸收儀后續(xù)研究開(kāi)發(fā)等相關(guān)工作提供參考。

藥物吸收儀 攪拌槳葉 混合效率

0.引言

藥物吸收儀是一種旨在通過(guò)綜合機(jī)、電、液、化、生等工程技術(shù)，搭建一套模擬藥物在人體內(nèi)消化吸收過(guò)程的仿生系統(tǒng)，擁有高自動(dòng)化和高模擬程度的特點(diǎn)，能夠較好還原藥物在人體內(nèi)從胃到小腸的消化吸收過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)未上市藥物的成藥性評(píng)價(jià)和已上市藥物的一致性評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)人體溫度、氧氣、酸堿等環(huán)境和胃腸等消化吸收?qǐng)鏊哪M，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)收集藥物消化吸收過(guò)程中各環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)，為開(kāi)展相關(guān)評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其中，對(duì)于藥物在胃中的消化過(guò)程模擬，主要采用攪拌槳和攪拌槽的形式對(duì)藥物進(jìn)行溶解。

槳葉作為攪拌設(shè)備最重要的零部件之一，對(duì)混合的效果有顯著影響[1]。目前關(guān)于攪拌槳葉的研究主要有兩個(gè)方向：一是根據(jù)工況選擇攪拌槳葉類型，優(yōu)化槳葉參數(shù)，獲得最佳混合效果；二是新型攪拌器的開(kāi)發(fā)，提升攪拌混合效率[2]。

本文主要對(duì)三種流場(chǎng)類型與槳葉基本類型進(jìn)行介紹，并基于藥物吸收儀，通過(guò)分析人體胃的消化運(yùn)動(dòng)方式及環(huán)境要求，設(shè)計(jì)攪拌機(jī)構(gòu)，使攪拌效果能夠模擬藥物在胃蠕動(dòng)時(shí)與胃液混合的溶解過(guò)程。

1.典型槳葉及流型介紹

攪拌槳主要安裝在攪拌槽的中央，其產(chǎn)生的流場(chǎng)類型一般分為三種：徑向流、軸向流及切向流，如圖1所示。徑向流指流體的流向與攪拌軸垂直，沿槳葉半徑方向運(yùn)動(dòng)；軸向流是指流體沿平行于攪拌軸方向的流動(dòng)；切向流則是流體隨著槳葉的旋轉(zhuǎn)做平行運(yùn)動(dòng)[3]。通常情況下徑向流和軸向流對(duì)攪拌的作用較大，而切向流會(huì)引起打旋現(xiàn)象，不利于混合，應(yīng)加以抑制。

攪拌槳的類型復(fù)雜多樣，圖2展示了基本槳葉類型，其中槳式攪拌槳葉、渦輪式攪拌槳葉、推進(jìn)式攪拌槳葉是最常用的攪拌槳葉類型[4]。從流場(chǎng)類型角度看，槳式攪拌槳適用于軸向流為必要條件的工況，圓盤渦輪式攪拌槳的流場(chǎng)類型主要為徑向流，推進(jìn)式攪拌槳的流場(chǎng)類型則以軸向流為主，如圖3所示。

圖1. 三種流場(chǎng)類型

圖3. 常用攪拌槳流場(chǎng)圖

2.藥物吸收儀攪拌機(jī)構(gòu)的技術(shù)要求

人體胃主要分為胃底、胃體和胃竇。與食管相連接的部分稱作賁門，與十二指腸相連接的部分為幽門。胃的主要功能是貯存、混合和在胃液的幫助下使內(nèi)容物變?yōu)闈{狀，并控制內(nèi)容物進(jìn)入小腸。胃消化除了來(lái)自胃液的化學(xué)性消化之外，其過(guò)程還伴隨著一種機(jī)械性消化形式——即胃的蠕動(dòng)收縮，它大體上屬于一種規(guī)律性的舒張運(yùn)動(dòng)，一般發(fā)生在胃體和胃竇之間，在幽門和十二指腸的區(qū)域?qū)⑹澄锱趴眨橛谢赝埔源龠M(jìn)食物與胃液混合[5]。

結(jié)合以上分析，藥物吸收儀以攪拌槳、槽的方式來(lái)模擬胃的消化運(yùn)動(dòng)，流型則以軸向流為主，同時(shí)伴有徑向流，在局部有渦流，整體上為兩側(cè)流向呈由上到下，中間由下到上的趨勢(shì)，使上、下層溶液混合均勻，減小濃度差異。其次，由于酸液環(huán)境和溫度的影響，常見(jiàn)的可加工金屬材料多會(huì)受到鹽酸的腐蝕，所以對(duì)攪拌槳的材料也有一定要求，避免干擾整個(gè)儀器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4. 胃結(jié)構(gòu)及胃蠕動(dòng)示意圖

3.藥物吸收儀攪拌機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于胃的蠕動(dòng)是一個(gè)緩慢的過(guò)程，對(duì)攪拌系統(tǒng)要求的轉(zhuǎn)速不高，因此轉(zhuǎn)速初定為50～200r/min。同時(shí)，本文采用傳統(tǒng)的攪拌槳和攪拌槽的形式，攪拌槳伸入攪拌槽，通過(guò)聯(lián)軸器連接步進(jìn)電機(jī)的方式傳動(dòng)。

由于轉(zhuǎn)速不高，一般的平底攪拌槽容易造成藥物顆粒在死角處（杯底與側(cè)壁連接處）的沉積，故選用圓柱形的球底玻璃杯作為藥物吸收儀的攪拌槽，可有效解決沉積的產(chǎn)生，使攪拌混合效果提升，攪拌槽的有效容積為1L左右。

步進(jìn)電機(jī)作為攪拌的動(dòng)力源，其成本較低，可靠性高，是市面上較為常用的電機(jī)。由于攪拌機(jī)構(gòu)的整體體積不大，被攪拌物的粘度低，所消耗的攪拌功率低，故選擇常規(guī)的35型電機(jī)即可。

圖5. 攪拌機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖與三維示意圖

為了模擬藥物在人體消化的混合過(guò)程，攪拌槳葉的選擇尤為重要。經(jīng)上一小節(jié)的分析，藥物吸收儀中的攪拌槳葉應(yīng)該以軸向流槳葉為主。傳統(tǒng)的軸向流槳葉有推進(jìn)式槳葉、螺桿式槳葉及折葉式槳葉等，但它們?cè)趩为?dú)使用時(shí)總是不能滿足藥物吸收儀中對(duì)攪拌效果的要求。例如，推進(jìn)式槳葉能夠產(chǎn)生較大軸向流，但是沒(méi)有辦法滿足多個(gè)渦流同時(shí)形成；折葉式同理，且在低轉(zhuǎn)速下混合效率不高；螺桿式雖能在低速下攪拌，但攪拌空間范圍較小。故考慮復(fù)合型攪拌槳，在綜合各攪拌槳特點(diǎn)后，論文選用推進(jìn)式和螺桿-螺帶式相結(jié)合的槳葉作為藥物吸收儀的攪拌槳葉。

該槳葉與常規(guī)的復(fù)合槳葉、同雙層三葉槳比較，混合時(shí)間較短、混合效果及速率更優(yōu)。螺桿-螺帶式槳葉能夠滿足低速下的攪拌，當(dāng)其工作時(shí)，流體整體向下運(yùn)動(dòng)，軸附近的流體向上流動(dòng)，而在槽邊的螺帶處出現(xiàn)漩渦使流體向上流動(dòng)，整體上形成循環(huán)。同時(shí)推進(jìn)式攪拌槳產(chǎn)生的較大軸向流，可加速被攪拌物的流動(dòng)，使藥物更快速、更充分地混合。另外，槳葉與軸均采用聚四氟乙烯材料進(jìn)行噴涂，聚四氟乙烯具有良好的耐酸性，能有效抵抗鹽酸腐蝕的同時(shí)幾乎不溶于任何溶劑，進(jìn)而不影響藥液成分，對(duì)藥物吸收儀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不產(chǎn)生干擾。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)部分?jǐn)嚢铇~進(jìn)行分析，介紹了常用攪拌槳葉的流場(chǎng)類型。根據(jù)藥物吸收儀攪拌要求設(shè)計(jì)了一種螺桿-螺帶與推進(jìn)式的復(fù)合槳葉及其攪拌裝置。該攪拌裝置能較好地模擬還原藥物在胃中的蠕動(dòng)消化過(guò)程，結(jié)合球形攪拌槽底與聚四氟乙烯噴涂表面，在實(shí)現(xiàn)藥物和人工胃液充分地混合、減少藥物顆粒沉積的同時(shí)，不干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為藥物吸收儀后續(xù)研究開(kāi)發(fā)等相關(guān)工作提供參考。

[1] 朱俊, 周政霖, 劉作華,等. 剛?cè)峤M合攪拌槳強(qiáng)化流體混合的流固耦合行為[J]. 化工學(xué)報(bào), 2015,66(10):3849-3856.

[2] 陳明義. 新型行星式攪拌器開(kāi)發(fā)及性能研究[J]. 化學(xué)工程, 2010,38(7):47-50.

[3] 陳明義. 筒式攪拌器及其開(kāi)發(fā)[J]. 化工機(jī)械, 2010,37(5):557-559.

[4] 孫玉濤. JBT1.5攪拌桶葉輪選型與強(qiáng)度校核[J]. 煤礦機(jī)械, 2014,35(7):38-40.

[5] 姜敘誠(chéng), 袁耀宗. 消化系統(tǒng)[M]. 上海交通大學(xué)出版社, 2010.

Research and Design of Rabbling Mechanism of the Equipment for Drug Absorption

LIU Jia-xin1ZHANG Wei-hao2
1 Chongqing No.1 Middle School (Chongqing 400030)
2 Chongqing University (Chongqing 400044)

Aiming at the dissolution process of simulating the mixing of drug and gastric juice at the period of stomach peristalsis in the equipment for drug absorption, an agitator blade is designed by combining the propelled type with screw- ribbon type. The mixing efficiency is able to simulate the process of medicine digestion in the stomach to some extent, which provides reference for followup research and development of the equipment for drug absorption.

agitator blade, mixing efficiency, equipment for drug absorption

1006-6586(2017)05-0088-03

TH789

A

2017-02-22

張偉昊，碩士研究生，主要研究方向?yàn)獒t(yī)療器械。

中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所委托課題