植添德，李華寶，張明容，方彥奎

自動(dòng)干粉吸入器振動(dòng)篩網(wǎng)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

植添德，李華寶，張明容，方彥奎

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣東廣州510800）

針對(duì)普通干粉吸入器吸氣流量大，排空率低的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一振動(dòng)篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)干粉吸入器。該吸入器的振動(dòng)器與篩網(wǎng)相連，當(dāng)吸氣時(shí)，振動(dòng)器開(kāi)啟工作，從而把藥粉振落下來(lái)，隨著吸氣氣流進(jìn)入病人的呼吸系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明，由于振落的干粉已經(jīng)具有一定的動(dòng)能，振動(dòng)篩網(wǎng)的設(shè)計(jì)不僅使藥物更容易吸入，而且增加了排空率。

自動(dòng)干粉吸入器；篩網(wǎng)；振動(dòng)；排空率

近年來(lái)，隨著對(duì)哮喘、肺氣腫、慢性阻塞性肺病以及囊性纖維化等疾病的深入了解，越來(lái)越多的學(xué)者致力于肺吸入給藥這種集靶向性與非侵犯性于一身的藥物傳遞系統(tǒng)的研發(fā)[1-3]。“干粉藥物吸入器”不僅在治療呼吸道疾病上至關(guān)重要，近年來(lái)更開(kāi)始應(yīng)用到治療糖尿病方面，前途無(wú)量[4，5]。但現(xiàn)有治療呼吸道疾病的“干粉吸入器”乃完全靠使用者的吸氣流量來(lái)帶動(dòng)藥粉細(xì)微顆粒，一直存在所需吸氣流率高以及排空率低的兩大缺點(diǎn)。本文欲在干粉吸入器中采用振動(dòng)篩網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)藥粉的自動(dòng)分散和自動(dòng)下落。

1 自動(dòng)干粉吸入器振動(dòng)篩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)干粉吸入器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)干粉吸入器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由吸氣口、進(jìn)氣口、電機(jī)、偏心輪以及藥粉罐組成。其工作原理是：采用“吸氣氣流傳感器”，以病人的吸氣氣流自動(dòng)開(kāi)啟電機(jī)工作，電機(jī)通過(guò)偏心輪與篩網(wǎng)相連接，從而把藥粉振落下來(lái)，隨著吸氣氣流進(jìn)入用戶(hù)的呼吸系統(tǒng)。由于藥粉與篩網(wǎng)充分接觸，再通過(guò)氣流的打散作用，使得藥粉顆粒變細(xì)，適合在呼吸道沉積。

圖1 自動(dòng)干粉吸入器的整體結(jié)構(gòu)

1.2 篩網(wǎng)振動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

篩網(wǎng)振動(dòng)采用了偏心輪旋轉(zhuǎn)振動(dòng)原理，如圖2所示。電機(jī)帶動(dòng)偏心輪旋轉(zhuǎn)，用偏心輪去使篩網(wǎng)做上下的振動(dòng)。電機(jī)選用的型號(hào)是FF-050電機(jī)，能達(dá)到的振動(dòng)頻率是40 kHz.

圖2 篩網(wǎng)振動(dòng)的設(shè)計(jì)

由于篩網(wǎng)的質(zhì)量很小，且極容易變形，為了實(shí)現(xiàn)篩網(wǎng)高頻低幅的振動(dòng)，設(shè)計(jì)一個(gè)放置篩網(wǎng)的夾層空間，如圖3所示。本設(shè)計(jì)采用一個(gè)篩網(wǎng)的依附物（見(jiàn)圖4），使得篩網(wǎng)依附固定在上面，即可將其放置夾層中，依附物突出部分可依靠在偏心輪上，達(dá)到振動(dòng)篩網(wǎng)的效果。設(shè)計(jì)夾層的半徑為5.5mm，寬度為0.2mm.

圖3 夾層

圖4 篩網(wǎng)依附物

2 振動(dòng)篩網(wǎng)的試驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

為了驗(yàn)證前文所提到的設(shè)計(jì)該自動(dòng)干粉吸入器的作用，也即干粉吸入器的篩網(wǎng)添加高頻振動(dòng)源后，是否能解決傳統(tǒng)干粉吸入器所需吸氣流率高以及排空率低這兩大問(wèn)題。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

藥粉采用滑石粉代替，滑石粉的規(guī)格為3 000目，篩網(wǎng)為不銹鋼篩網(wǎng)，其孔型為正方形，平均邊長(zhǎng)為160μm、110μm、80μm和55μm四種，分別記為型號(hào)A、B、C和D四種型號(hào)。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，由自動(dòng)干粉吸入器、模擬呼吸道、真空泵及真空罐組成。模擬呼吸道采用兩條透明軟管代替，方便觀察；真空泵用于對(duì)真空罐進(jìn)行抽真空；當(dāng)連接真空罐的閥門(mén)打開(kāi)時(shí)，實(shí)現(xiàn)吸氣動(dòng)作。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置

2.4 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用無(wú)振動(dòng)源和有振動(dòng)源兩種形式。兩種形式用的滑石粉質(zhì)量都相同，分別用A、B、C和D四種型號(hào)的篩網(wǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。采用振動(dòng)源時(shí)，篩網(wǎng)的振動(dòng)頻率為40 kHz.

2.5 結(jié)果分析

2.5.1 無(wú)振動(dòng)源時(shí)的有效微粒分?jǐn)?shù)

不同型號(hào)的篩網(wǎng)，其通過(guò)篩網(wǎng)振動(dòng)下來(lái)的滑石粉的質(zhì)量不同。不同型號(hào)篩網(wǎng)振動(dòng)下來(lái)的滑石粉的總體有效微粒分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 四種篩網(wǎng)型號(hào)的排出有效微粒分?jǐn)?shù)（%）

從表中可以分析得出：

（1）隨著篩網(wǎng)孔徑的減小，其總體有效微粒分?jǐn)?shù)呈上升趨勢(shì)。由于篩網(wǎng)孔徑越小，藥物粉末與其接觸的面積越大，接觸碰撞的概率越大。因此，隨著碰撞概率的提升，干粉吸入的效果越好。

（2）但網(wǎng)格過(guò)密將阻礙藥物粉末通過(guò)篩網(wǎng)，不利于團(tuán)聚粉末的有效分散。

2.5.2 使用高頻電機(jī)振動(dòng)后的排空率

采用高頻電機(jī)振動(dòng)后的排空率如表2所示。

表2 有無(wú)振動(dòng)源兩種形式排空率的對(duì)比（%）

從表中可以分析得出：

（1）當(dāng)添加了振動(dòng)源時(shí)，在進(jìn)行肺吸入時(shí)篩網(wǎng)始終處于40kHz的高頻振動(dòng)狀態(tài)，各型號(hào)篩網(wǎng)所對(duì)應(yīng)的干粉吸入器其裝置的排空率較無(wú)外在動(dòng)力源相比得到很大的提升，從16%上升至80%；

（2）當(dāng)添加外在動(dòng)力源時(shí)，各型號(hào)篩網(wǎng)的排空率相似，均在80%左右。

2.5.3 使用高頻電機(jī)振動(dòng)源前后裝置總體有效分?jǐn)?shù)對(duì)比

采用高頻電機(jī)振動(dòng)后的總體有效分?jǐn)?shù)如表3所示。

表3 有無(wú)振動(dòng)源兩種形式總體有效微粒分?jǐn)?shù)的對(duì)比（%）

從表中可以看出：

（1）有外在動(dòng)力源時(shí)各型號(hào)所對(duì)應(yīng)的干粉吸入器其排出有效微粒分?jǐn)?shù)均較無(wú)外在動(dòng)力時(shí)低。

（2）雖然有外在動(dòng)力源時(shí)裝置的排空率得到了明顯的提高，但排出有效微粒分?jǐn)?shù)卻大大下降，平均從75%下降至50%，進(jìn)一步說(shuō)明前面提及的氣流在粉末的霧化過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

本吸入器采用振動(dòng)篩網(wǎng)的設(shè)計(jì)，由于振落的干粉已經(jīng)具有一定的動(dòng)能，不僅更容易隨著吸氣氣流送入病人的呼吸系統(tǒng)，而且可以大大改善目前“干粉吸入器”排空率低的缺點(diǎn)，而且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單成本低，可以被廣泛推廣使用。

[1]周恩龍，郭靜，陳曦，等.干粉吸入器的發(fā)展與設(shè)計(jì)[J].中國(guó)醫(yī)藥工業(yè)雜志，2013，44（10）：1047-1053.

[2]徐欣，劉哲鵬，陳嵐.干粉吸入劑給藥裝置研究現(xiàn)狀及前景[J].醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)，2010，31（5）：32-34.

[3]劉天宜.基于人機(jī)工程學(xué)的集成式干粉吸入器研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[4]曹智臣.基于CFD的主動(dòng)式干粉吸入器流場(chǎng)分析與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2014.

[5]劉春.膠囊型干粉吸入裝置的研究開(kāi)發(fā)[D].廣州：華東理工大學(xué)，2012.

The Design and Testof Automatic Dry Powder Inhaler Vibration Screen

ZHITian-de，LIHua-bao，ZHANG Ming-rong，F(xiàn)ANG Yan-kui
（Guangzhou College，South China University of Technology，Guangzhou Guangdong 510800，China）

Automatic dry powder inhaler is a kind of the suction air flow sensor，to automatically open patient inspiratory airflow vibrator，the vibrator and the screen is connected to the powder vibration falling down，with a dry powder inhaler respiratory breathing air into the user.This project is aimed at the automatic dry powder inhaler vibrating screen design and test，proved by experiments，due to vibration falling powder has certain kinetic energy，the design of vibration screen is not only easier with inspiratory airflow into the patient’s respiratory system，and can greatly improve the current“dry powder inhaler”emptying rate is low.

automatic dry powder inhaler；screen；vibration；emptying rate

TH122

A

1672-545X（2017）02-0058-03

2016-11-12

植添德（1995-），男，廣東韶關(guān)人，在讀本科生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)。