Dynamics of aerosol pulse in a simplified mouth.throat geometry and its significance for inhalation drug delivery

• Autorzy: Moskal A. , Sosnowski T.

Warianty tytułu

PL

Dynamika impulsu aerozolu w modelu o geometrii usta-gardło i jej konsekwencje dla inhalacji leczniczych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The airflow field and local deposition of aerosol particles introduced at various time instants of sinusoidal inspiration were calculated for a simple mouth.throat geometry using CFD. Instantaneously changing gas flow was resolved with the large eddy simulation approach. Numerical analysis of aerosol dynamics was done for particles in the range of 0.3.10 .m applying the Brownian dynamics (BD) algorithm. Computational results indicate that the moment of particle injection during real-like non-steady inhalation has significant consequences for the spatial distribution of deposition for particles smaller than 3 .m, which are believed to be predominant in modern inhalation systems (HFA.pMDIs, nebulizers). Delay of aerosol release with respect to the start of inspiration results in enhanced deposition of submicrometer sized particles in the MT, with the .hot spots. located near the airway bend. Application of obtained data in estimation of aerosol losses in the MT and local side effects resulting from incorrect use of inhalers is discussed.

PL

Zastosowano modelowanie CFD do wyznaczania pola przepływu powietrza oraz sprawności depozycji lokalnej wdychanych cząstek aerozolowych w modelu układu usta.gardło w warunkach impulsowego wprowadzania cząstek do układu. Zmienny w czasie przepływ powietrza analizowano za pomocą symulacji wielkowirowych. Do analizy dynamiki cząstek aerozolowych (0,3.10 m) zastosowano algorytm dynamiki brownowskiej. Wyniki symulacji wskazują na istotny wpływ momentu wprowadzenia cząstek do układu oddechowego podczas wdechu na przestrzenny rozkład depozycji cząstek mniejszych od 3 m, które dominują liczbowo w aerozolach wyzwalanych z wielu inhalatorów (np. pMDI z nośnikiem HFA, nebulizatory). Opóźnienie wprowadzenia strumienia aerozolu w stosunku do chwili rozpoczęcia inhalacji wpływa na wzrost wydzielania cząstek submikronowych w modelu MT, z obszarami nasilonej depozycji zlokalizowanymi w zakrzywieniu kanału (gardło). Oceniono znaczenie uzyskanych wyników w aspekcie działania inhalatorów medycznych.

Słowa kluczowe

EN

CFD; inhalacja; inhalation

• Wydawca: Komitet Inżynierii Chemicznej i Procesowej Polskiej Akademii Nauk
• Czasopismo: Chemical and Process Engineering
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 30, z. 4
• Strony: 545--558
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz.,Wykr., rys.,

Twórcy

autor

Moskal A.

autor

Sosnowski T.

• Wydział Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej

Bibliografia

• [1] Drug Delivery to the Lung, H. Bisgaard, C. O’Callaghan, G.C. Smaldone (Eds.), Marcel Dekker, Inc. New York, 2002.
• [2] Optimization of Aerosol Drug Delivery, L. Gradoń, J.C.M. Marijnissen (Eds.), Kluwer, Dordrecht, 2003.
• [3] DEVADASON S.G., J. Aerosol Med., 2006, 19, 61.
• [4] Pulmonary Drug Delivery, K. Bechtold-Peters, H. Luessen (Eds.), Editio Cantor Verlag, Aulendorf, 2007.
• [5] United States Pharmacopeia 25, US Pharmacopeial Convention, Inc., Rockville, MD, 2002, Ch. 601, 1964
• [6] European Pharmacopoeia, Council of Europe, Strasbourg, 2005, Ch. 2.9.18, 244.
• [7] NEWMAN S.P., CHAN H.K., J Aerosol Med. Pulm. Drug Delivery, 2008, 21, 77.
• [8] GIRAUD V., ROCHE N., Eur. Respir. J., 2002, 19, 246.
• [9] CROMPTON G.K., BARNES P.J., BROEDERS M., CORRIGAN C., CORBETTA L., DEKHUIJZEN R., DUBUS J.C., MAGNAN A., MASSONE F., SANCHIS J., VIEJO J.L., VOSHAAR T., Respirat. Medicine, 2006, 100, 1479.
• [10] SOSNOWSKI T.R., GRADOŃ L. Inż. Chem. Proc., 2004, 25, 1619.
• [11] HANANIA N.A., CHAPMAN K.R., KESTEN S., Am. J. Med., 1995, 98, 196.
• [12] KOBAYASHI Y., YASUBA H., KUDOU M., HAMADA K., KITA H. Int. J. Clin. Pharmacol. Ther., 2006, 5, 193.
• [13] BUHL R., Allergy, 2007, 61, 518.
• [14] GRGIC B., MARTIN A.R., FINLAY W.H., J. Aerosol Sci., 2006, 37, 1222.
• [15] ZHANG Y., CHIA T.Z., FINLAY W.H., Aerosol Sci. Technol., 2006, 40, 361.
• [16] LONGEST P.W., HINDLE M., J. Aerosol Med. Pulm. Drug Del., 2009, 22, 99.
• [17] STAPLETON K.W., GUENTSCH E., HOSKINSON M.K., FINLAY W.H., J. Aerosol Sci., 2000, 31, 739.
• [18] CHENG Y.S., ZHOU Y., CHEN T.B., Aerosol Sci. Technol., 1999, 31, 286.
• [19] HEENAN A.F., FINLAY W.H., GRGIC B., POLLARD A., BURNELL P.K.P. J. Aerosol Sci., 2004, 35, 1013.
• [20] SOSNOWSKI T.R., MOSKAL A., GRADOŃ L., Inhalation Toxicology, 2006, 18, 773.
• [21] XI J., LONGEST P.W. Annals Biomed. Eng., 2007, 35, 560.
• [22] SOSNOWSKI T.R., MOSKAL A.GRADOŃ L., Ann. Occup. Hyg., 2007, 51, 19.
• [23] JIN H.H., FAN J.R., CEN K.F. J. Aerosol Sci., 2007, 38, 257.
• [24] SOSNOWSKI T.R., GRADOŃ L., MOSKAL A., European Aerosol Conference 2007, Salzburg, Abstract T08A006.
• [25] TANNEHIL J.C., ANDERSON D.A., PLETCHER R.H., Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer, Washington, Taylor and Francis, 1997
• [26] PODGÓRSKI A., J. Aerosol Sci., 2001, 32S1, 713.
• [27] FINLAY W.H., MARTIN A.R., J. Aerosol Med., 2008, 21, 1.
• [28] KLEINSTREUER C., ZHANG Z., DONOHUE J.F., Ann. Rev. Biomed. Eng., 2008, 10, 195.
• [29] GRADOŃ L., MOSKAL A., SOSNOWSKI T.R., Chem. Proc. Eng., 2007, 28, 465.
• [30] WARREN S.J., FARR S.J., Int. J. Pharm.,1995, 124,195.
• [31] NAGEL M.W., WIERSEMA K.J., LOU BATES S., MITCHELL J.P., J. Aerosol Med., 2002, 15, 75.
• [32] KAMIN W.E.S., GENZ T., ROEDER S., SCHEUCH G., TRAMMER T., JUENEMANN R., CLOES R.M., J. Aerosol Med., 2002, 15, 65.
• [33] LEACH C.L., DAVIDSON P.J., HASSELQUIST B.E., BOUDREAU R.J., J. Aerosol Med., 2005, 18, 379.
• [34] ROLLER C.M., ZHANG G., TROEDSON R.G., LEACH C.L., LE SOUËF P.N., DEVADASON S.G., Eur. Respir. J., 2007, 29, 299.