УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОГО РАСПЫЛЕНИЯ АГЛОМЕРАТОВ, ОБРАЗОВАВШИХСЯ В ДОЗЕ ПОРОШКООБРАЗНОГО МЕДПРЕПАРАТА, ПРЕДНАЗНАЧЕННОГО ДЛЯ ПОДАЧИ В ЛЕГКИЕ ПАЦИЕНТА Российский патент 1997 года по МПК A61M15/00 

Изобретение относится к устройствам для эффективного распыления агломератов, образовавшихся в дозе порошкообразного медпрепарата, предназначенного для вдыхания. Принцип действия устройства основан на эффекте центрифуги.

Известно, что размер частиц лекарственного препарата желательно иметь в пределах от 1 до 5 мк, предпочтительно 2-3 мк, при этом обеспечивается наилучшее проникновение препарата в легкие пациента, т.е. именно туда, куда направлено воздействие препарата.

Наиболее известным измерительным приспособлением является так называемый дыхательный аэрозоль, который достаточно легко обеспечивает получение частиц оптимального размера. Помимо дыхательных аэрозолей в настоящее время находят применение все увеличивающееся число ингаляторов порошкообразных лекарственных препаратов, при этом такие ингаляторы обеспечивают определенное преимущество, например в них отсутствует необходимость в ускорителях, разрушающих озон. Несколько проведенных клинических испытаний показали, что с тем же количеством лекарственного препарата порошковые ингаляторы не обеспечивают тот же эффект, что и аэрозольные ингаляторы, для достижения того же эффекта необходимо применять в два-три раза больше дозы. Полагают, что причиной этого является то, что порошкообразное лекарственное средство, переносимое порошкообразными ингаляторами, имеет частицы слишком большого размера. При этом большая часть дозы медпрепарата, выходящей из ингалятора, задерживается в верхних дыхательных путях, что в свою очередь при использовании отдельными медпрепаратами может вызвать серьезные побочные эффекты. Дозы, в которых применяются различные медпрепараты, предназначенные для вдыхания, существенно различаются, причем наименьшая доза составляет примерно 0,01 мг, а наибольшая около 20 мг. Когда малые количества медпрепарата отмеривают в порошкообразной форме, как правило, оказывается необходимым использовать некоторый вспомогательный носитель таким образом, чтобы обеспечить достаточно точное отмеривание дозы с помощью известных приемов и методов отмеривания. При этом неважно, если необходимая доза включает только сам медпрепарат или еще и подмешанный к нему носитель, доза самого медпрепарата включает соединившиеся друг с другом частицы, и большинство таких агломератов оказывается слишком велико для того, чтобы проникнуть в легкие. По мере того как агломераты выбрасываются порошковым ингалятором в воздушный поток, проходящий в легкие пациента, происходит некоторое распыление таких скоплений частиц, которые являются следствием состава порошкообразного медпрепарата и конструкции ингалятора.

Известно, что конструкции ингаляторов, создающие значительную турбелентность, обеспечивают более эффективное распыление.

На практике, однако, ни один из известных порошковых ингаляторов и/или медпрепарат не обеспечивают тех результатов, которые достижимы при применении простого аэрозольного ингалятора. В качестве частичного решения проблемы предлагалось, чтобы ингаляция осуществлялась с возможно большим усилием, при этом турбулентность и распыление частиц оказываются наиболее эффективными. Однако быстрое вдыхание для пациентов, страдающих, например, тяжелой формой астмы, значительно затруднено, а с другой стороны быстрое вдыхание увеличивает степень осаждения медпрепарата в верхних дыхательных путях. Исследования показали, что пульверизация агломератов оказывается более интенсивной, однако общий положительный эффект все же незначительный. Наилучшее проникновение в легкие с точки зрения снижения прилипания медпрепарата в верхних дыхательных путях обеспечивается при медленном вдыхании, соответствующем скорости потока примерно 30 л в минуту или 0,5 л в секунду.

Известно устройство для эффективного распыления агломератов, образовавшихся в дозе порошкообразного медпрепарата, предназначенного для подачи в легкие пациента, содержащее камеру, предназначенную для медпрепарата и закрытую с одного ее конца, в которой выполнены по меньшей мере одно впускное отверстие для подачи воздуха и по меньшей мере одно выпускное отверстие для направления воздуха и частиц медпрепарата, выносимых им (воздухом) в дыхательные пути пациента (1).

В этом устройстве для ингаляции порошкообразного медпрепарата, содержащегося в камере, выполненной в виде капсулы, медпрепарат выводится из капсулы за счет того, что некоторая часть ингаляционного воздуха пропускается через капсулу с помощью упомянутых отверстий, в то время как большая часть воздуха проходит мимо капсулы. Однако выполнение в капсуле отверстий осуществляется у ее продольной оси и поэтому задача создания в капсуле турбулентного потока, который мог бы создать значительный эффект центрифуги, не возникает. Лабораторные испытания показали, что это устройство не обеспечивает достаточного турбулентного потока в объеме капсулы. Степень распыления медпрепарата с помощью такого устройства была обычной.

Известно также несколько других конструктивных решений, в которых содержащая медпрепарат капсула прокалывается для обеспечения дозирования и помещается в держатель для придания ей вращательного движения с помощью ингаляционного воздуха либо полностью разрезается и открывается. Известны также конструкции, в которых медпрепарат переносится из капсулы в ингаляционный воздух воздействием струи воздуха под давлением. Известны конструкции, в которых порошкообразный медпрепарат переносится для последующей ингаляции с диска или из отдельного контейнера, содержащего порошок медпрепарата в объеме нескольких доз.

Однако все известные устройства, хотя и основаны на эффекте центрифуги, появляющегося в результате вращательного движения, имеют недостатком то, что данный эффект не может быть использован в полной мере для распыления агломератов, образующихся в дозе порошкообразного медпрепарата.

В этих устройствах частицы выбрасываются из устройства через несколько тысячных секунды при скоростях воздушного потока 30-60 л/мин, причем это время оказывается очевидно недостаточным для эффективного распыления. Время пребывания частиц в устройстве может быть увеличено, например, путем увеличения числа витков спирали канавки либо увеличением числа дефлекторных элементов сепаратора, либо увеличением длины зигзагообразных каналов для потока воздуха, однако все эти решения усложняют изготовление аппарата и прочистку его от осаждающихся медикаментов. Следует отметить, что чистка таких конструкций сама по себе является остаточно сложной.

В основу изобретения положена задача создать такое устройство для эффективного распыления агломератов, которое устраняло бы перечисленные недостатки и в котором порошкообразный медпрепарат подвергается распылению с помощью ингаляции и воздействию внешнего газового давления, вызываемого центробежной силой.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве согласно изобретению камера представляет собой вихревую камеру, закрытую с одного конца и имеющую вращательно-симметричную форму, причем поперечное сечение камеры, перпендикулярное к ее оси, представляет собой круг без каких-либо препятствий для воздушного потока, а впускное и выпускное отверстия остоят одно от другого по направлению оси камеры, причем впускное отверстие выполнено с возможностью направления воздушного потока в полость вихревой камеры в тангенциальном, относительно ее стенки, направлении.

Согласно предпочтительному примеру выполнения впускное отверстие выполнено в стенке камеры рядом с ее закрытым концом, а вихревая камера закрыта с обоих концов, при этом диаметр вихревой камеры ступенчато и/или плавно меняется. Кроме того, в вихревой камере перед выходным отверстием размещена конструкция для удержания крупных частиц.

Предпочтительно закрытый конец вихревой камеры выполнен вращательно-симметричным и содержит съемную крышку. При этом устройство согласно изобретению выполнено с возможностью подсоединения к ингалятору.

В устройстве согласно изобретению радиус впускного патрубка составляет 3 мм, а радиус вихревой камеры, выполненной в виде цилиндра, составляет 6 мм, скорость всасывания, равная 30 л/мин, соответствует медленному вдыханию и обеспечивает максимальную скорость циркуляции воздуха, равную 17,68 м/с в цилиндре, и ускорение, равное 52,1 •10³ м/с ², причем эта величина в 5310 раз превышает ускорение свободного падения. В соответствии с этим вес частиц медпрепарата будет увеличиваться более чем в 5000 раз, что в полной мере характеризует возможности устройства. При измерении отрицательного давления, вызванного входом со скоростью всасывания 0,5 л/с, была получена величина 15 миллибар, однако при вдыхании в обратном направлении была получена величина, равная всего 4,5 миллибара. Разница отражает энергию, необходимую для развития центробежной силы, поскольку при вдыхании в противоположном направлении не возникает турбулентного потока и сопротивление весьма близко к значению, свойственному ламинарному потоку. Испытания на пациентах показали, что сопротивление входу не должно превышать значения, соответствующего отрицательному давлению в 15-20 миллибар. С другой стороны, соответствующее сопротивление входу может быть использовано для предотвращения чрезмерно быстрого вдоха, поскольку при этом увеличивается осаждение медпрепарата на поверхности верхних респираторных путей. Таким образом, в устройстве согласно изобретению оказывается возможным установить величину сопротивления вдоха, в частности, регулируя диаметр впускного патрубка и диаметр цилиндра, в то время как усилие входа эффективно используется для пульверизации агломератов частиц медпрепарата. Если центробежная сила создается подачей воздуха под давлением, например сжатого воздуха, то физиологические свойства пациента более никак не управляют развиваемой устройством мощностью. В частности, диаметр цилиндра и впускного патрубка могут быть уменьшены. В устройстве, в котором входной патрубок имел диаметр 1 мм, а цилиндр имел диаметр 4 мм, воздух, имевший избыточное давление 1,2 бара, обеспечивал замеренную скорость потока через устройство, равную 4,5 л/мин. Таким образом, скорость воздушного потока в впускном патрубке и на периферии цилиндра составляла 95,5 м/с, что в соответствии с вышеприведенной формулой обеспечивает ускорение, превышающее в 465000 раз ускорение свободного падения, когда скорость вращения составляет 7600 об/с. Здесь следует учесть, что скорость вращения частиц значительно меньше, чем считанная скорость, что объясняется сопротивлением воздуха и абразивным трением, однако расчеты показывают примерную величину тех сил, которые развиваются при работе устройства. Мгновенное положительное давление, равное примерно 1 бару, может быть достигнуто даже с помощью ручного насоса, а более высокие давления могут быть получены с помощью, например, перезаряжаемого вручную или с помощью электроэнергии контейнера давления.

В соответствии с принципами работы предлагаемого устройства в его цилиндре не могут содержаться какие-нибудь конструктивные элементы, существенно замедляющие свободную циркуляцию воздуха, например дефлекторы, канавки или капсулы, а также их части, вращающиеся вместе с потоком воздуха, за исключением носителей медпрепарата. Далее относительно большие количества носителя, содержащие в определенных лекарствах наряду с самим медпрепаратом, могут совершенно определенно снижать скорость ротации. Цилиндр должен иметь форму поперечного сечения, представляющую собой круг в любой точке на его оси. Однако это делает возможным выполнить цилиндр, имеющий поперечное сечение, например, в виде конуса или имеющий другую симметричную достаточно сложную форму, что позволяет использовать центробежную силу для фракционирования частиц с помощью общеизвестного принципа центрифуги. Ось ротационной симметрии или часть, проходящая в совпадающем с ней направлении, параллельная продольной оси вихревой камеры, никак не отражается на действии устройства.

На фиг. 1 показано цилиндрическое устройство с круглым поперечным сечением во всех точках; на фиг. 2 закрытый с двух концов цилиндр с тангенциальными подачей и выводом воздуха; на фиг. 3 цилиндрическое устройство, переходящее в конусообразное; на фиг. 4 устройство согласно изобретению с квадратным сечением и выводом воздуха через центральное отверстие в цилиндре; на фиг. 5 конструкция вихревой камеры; на фиг. 6 - устройство согласно фиг. 5, присоединенное к ингалятору; на фиг. 7 - модификация устройства согласно фиг. 2.

В показанных на фиг. 1 4 конструкциях при создании в них вихревого движения происходит фракционирование частиц таким образом, что частицы большего размера стремятся вращаться в вихре как можно дольше по большому радиусу цилиндра 2 и не могут выйти из него через центральное выпускное отверстие до тех пор, пока не будут измельчены до необходимого размера.

Экспериментально установлено, что время распыления крупных частиц может быть еще более увеличено, если элемент, изображенный на фиг. 3 или 4, снабдить жестким удлинением в камеру вдоль внутреннего канала. В конечном участке воздушного потока не распыленные частицы по большей части удерживаются в этом пространстве и не попадают в дыхательные пути пациента. На фиг. 5 показана более подробно конструкция такой вихревой камеры. Агломераты частиц медпрепарата доставляются воздушных потоком из канала 1 в камеру, образованную конструкцией 2, что предотвращает их немедленный выброс из камеры под воздействием центробежной силы. Большие частицы могут вращаться в закрытой секции камеры 3 и после достаточного распыления могут быть выброшены в ингаляционный канал 4. Закрытая часть камеры включает подвижную заслонку 5, облегчающую очистку камеры. Оптимальный диаметр вихревой камеры, действующей благодаря ингаляционному эффекту, составляет 10-20 мм. При этом достигается превосходный эффект распыления и практически тангенциальная установка впускного патрубка обуславливается сравнительно низким сопротивлением воздуху. Если увеличить диаметр, то эффект распыления ухудшается и при диаметре более 30 мм становится практически незаметным.

Конструкция устройства, показанная на фиг. 1-5, может быть присоединена к любому имеющемуся порошковому ингалятору. На фиг.6, в частности, показано устройство, изображенное на фиг. 5, присоединенное к порошковому ингалятору, причем в рассматриваемом устройстве заменена спиралевидная канавка известного ингалятора. На фиг. 7 показана модификация устройства, изображенного на фиг. 2, снабженная двумя выпускными трубами и присоединенная к известному порошковому ингалятору. В этом устройстве капсула с медпрепаратом освобождается от порошка с помощью потока воздуха под давлением, получаемого с помощью ручного насоса. В конструкции такого типа вдох должен быть осуществлен в тот же момент, что и сжатие груши ручного насоса. Ингаляционный воздух забирается из области рядом с выпускными трубами вихревой камеры.

Качество работы предлагаемого устройства в значительной степени зависит от качества используемого медпрепарата и возможных присутствующих в нем добавок. Для получения наилучшего результата различные медпрепараты целесообразно использовать с различными вихревыми камерами. Материал, из которого изготавливается вихревая камера, целесообразно выбирать таким, чтобы прилипаемость медпрепарата к стенкам камеры была минимальной, а сама камера имела бы внутреннюю поверхность, способную противостоять абразивному воздействию со стороны частиц медпрепарата без сколь-нубудь заметного износа.

Эффективность устройства исследовалась способом, который широко применяется для исследования устройств подобного рода, в котором эффект входа пациента имитируется для того, чтобы всосать порошкообразный медпрепарат в сепаратор частиц (каскадный ударный сепаратор). Таким образом определяется число и средний размер частиц тел медпрепаратов, которые используются для подачи в легкие пациента (средний размер частиц менее 5,8 микрона).

Нижеследующая таблица иллюстрирует результаты действия устройства по настоящей заявке в сравнении с результатами, обеспечиваемыми известными порошковыми ингаляторами, которые включены в таблицу в качестве сравнительной иллюстрации.

Для получения сопоставимых результатов все исследовавшиеся медпрепараты изготавливались по единой фармацевтической формуле:
1.1-1.4 медпрепарат салбутамол, носитель лактоза, изготовитель фирма Глаксо, Великобритания;
2.1-2.2 медпрепарат на хромоглигат, без носителя, фирма Фисонс, Великобритания;
3.1-3.2 медпрепарат требуталин без носителя, фирма Драко, Швеция.

В известных устройствах дозирование порошкообразного медпрепарата осуществлялось с помощью также известного отмерочного приспособления порошкового ингалятора, который при самостоятельном использовании не обеспечивает необходимого эффекта распыления частиц, поскольку это распыление обеспечивается при ручной подаче порошка. Другие ингаляторы, использовавшиеся для сравнения, также доступны на рынке. При рассмотрении полученных результатов следует принимать во внимание прилипание медпрепарата к измерительному объему и внутренним полостям устройства.

При оценке результатов следует также принимать во внимание цели, для которых также порошковые ингаляторы предназначены: направить максимально возможную дозу медикамента в дыхательные пути пациента, причем размеры частиц медпрепарата должны быть в пределах от 1 до 5 мк, предпочтительно 2-3 мк, что обеспечивает наилучшее проникновение медпрепарата в легкие.

Во всех рассмотренных группах устройств устройство согласно изобретению обладало наилучшими качествами. Число частиц медпрепарата в пределах необходимых размеров было в 1,6-2,7 раза больше числа частиц носителя и при этом частицы имели оптимальный средний размер. Таким образом, устройство согласно изобретению значительно улучшает проникновение медпрепарата в легкие пациента и сокращает прилипание его частиц в верхних дыхательных путях, благодаря чему удается уменьшить обусловленные этим побочные эффекты. Конструкция устройства легко поддается очистке, например, с помощью маленькой кисточки. Устройство просто в изготовлении, например, методом формовки пластмассы под давлением. Устройство по изобретению может быть присоединено к любому известному порошковому ингалятору. Оно может использоваться с устройствами, в которые вкладываются капсулы с медпрепаратом либо с устройствами, в которых имеется контейнер, содержащий порошковый медпрепарат в количестве, обеспечивающем многие дозы. Устройство может работать и под воздействием вдоха пациента и под воздействием выброса сжатого газа, в частности воздуха.

Использование: изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для ингаляции. Сущность изобретения: устройство для эффективного распыления агломератов, образовавшихся в дозе порошкообразного медпрепарата, включает камеру для медпрепарата, закрытую с одного конца. Камера снабжена по крайней мере одним впускным отверстием и одним выпускным отверстием для выброса порошкообразного медпрепарата. Камера, закрытая с одного конца, имеет вращательно-симметричную форму, т.е. ее поперечное сечение, перпендикулярное к ее центральной оси, имеет форму круга, не включающего каких-либо препятствий для потока воздуха. Впускное и выпускное отверстия разнесены одно относительно другого по направлению центральной оси камеры. Впускное отверстие выполнено таким образом, чтобы направлять поступающий в камеру воздушный поток в тангенциальном относительно стенки камеры направления. 6 з.п. ф-лы, 1 табл, 7 ил.

1. Устройство для эффективного распыления агломератов, образовавшихся в дозе порошкообразного медпрепарата, предназначенного для подачи в легкие пациента, содержащее камеру, предназначенную для медпрепарата и закрытую с одного ее конца, в которой выполнены по меньшей мере одно впускное отверстие для подачи воздуха и по меньшей мере одно выпускное отверстие для направления воздуха и частиц медпрепарата, выносимых им (воздухом) в дыхательные пути пациента, отличающееся тем, что камера представляет собой вихревую камеру, закрытую с одного конца и имеющую вращательно-симметричную форму, причем поперечное сечение камеры, перпендикулярное к ее оси, представляет собой круг без каких-либо предприятий для воздушного потока, а впускаемое и выпускаемое отверстия отстоят одно от другого по направлению оси камеры, причем впускное отверстие выполнено с возможностью направления воздушного потока в полость вихревой камеры в тангенциальном, относительно ее стенки, направлении. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что впускное отверстие выполнено в стенке камеры рядом с ее закрытым концом. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вихревая камера закрыта с обоих концов. 4. Устройство по любому из пп.1 3, отличающееся тем, что диаметр вихревой камеры ступенчато и/или плавно меняется. 5. Устройство по любому из пп.1 4, отличающееся тем, что в вихревой камере перед выпускным отверстием размещена конструкция для удержания крупных частиц. 6. Устройство по любому из пп.1, 2 и 4, отличающееся тем, что закрытый конец вихревой камеры выполнен вращательно-симметричным и содержит съемную крышку. 7. Устройство по любому из пп.1 6, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью подсоединения к ингалятору.