1. 引言
粉雾剂系指固体微粉化原料药物单独或与合适载体混合后，以胶囊、泡囊或多剂量贮库形式，采用特制的干粉吸入装置，由患者吸入雾化药物至肺部的制剂 [1] 。目前市售的大多数DPI的药物递送效率较低，通常只有30%左右的药物能够递送到作用部位 [2] [3] ，大量的药物沉积在口喉区域，这不仅会造成药物的浪费，还会导致较高的肺沉积变异性 [4] 。
当然，药物的肺部递送性能除了与处方和装置有关外 [5] [6] [7] [8] ，还受到患者的使用技巧影响 [9] 。Xi [10] 等人研究了不同的舌头位置对药物递送的影响，结果表明舌头位置能够显著改变口腔及随后咽喉部位的气流分布及颗粒行为。Stylianou [11] 等人研究了吸气流速、头部位置以及吸嘴插入角度对药物口喉沉积的影响，结果表明头部位置对口喉沉积影响不明显，吸气流速和吸入装置插入角度影响更加显著。Delvadia [2] 和Ruzycki [12] 等人也先后对吸嘴插入角度、处方组成以及相对湿度等进行了研究。
当前关于吸入装置吸嘴相对于口腔的插入方位对药物递送影响的研究还较少，本文以较常用的两款吸入装置为研究对象，研究了吸嘴插入方位在不同流量条件下对呼吸道内流场分布以及颗粒沉积表现的影响。
2. 材料
本研究所用的实验仪器、材料及软件等信息见表1。
Table 1. A list of experiment materials
表1. 实验材料明细表
3. 方法和结果
3.1. 处方模型的制备与表征
布地奈德、乳糖Inhalac®206、细粉乳糖Inhalac®300按照质量比2:88:10的比例制备15 g处方模型，实验过程中环境温湿度分别为(25 ± 2)℃和(50 ± 5)% RH，具体操作如下：
首先将1.5 g细粉乳糖Inhalac®300与13.2 g乳糖Inhalac®206手工预混后过40目筛，投入70 mL容积混合罐后用TURBULA三维混合机混合，混合转速为101 rpm，混合时间为30 min；混合后将0.3 g布地奈德粉末投入混合罐继续混合60 min得到处方模型。然后进行混合均匀度检测，将混合后的处方平铺在称量纸上，在4角及中间各取样一次，每次取样20 mg，采用高效液相色谱法测定布地奈德含量，原料药布地奈德含量测定的色谱条件为：色谱柱YMC-Triart/C8，75 × 3.0 mm，3 μm；流动相为35 mmol六氟磷酸钾缓冲液(PH3.7)；进样量为100 μl，流速为0.6 ml/min；检测波长为214 nm/244 nm；柱温35℃。经检测混合后布地奈德相对标准偏差(Relative Standard Deviation, RSD)小于3%，满足混合均匀度要求，可用于后续研究。最后将制备好的处方进行手工罐装，选用3号HPMC胶囊壳，每粒灌装(10 ± 0.05) mg。
3.2. 基于NGI的体外沉积实验
使用NGI撞击器法测量吸入药物粉末的递送质量分布以用于仿真设置。如图1所示，本实验中撞击器垂直于水平桌面放置，DPI吸入装置直接通过适配器与预分离器相连 [13] [14] ，并在实验前进行气密性检测；实验时开启真空泵，通过流量控制器调节流量至目标大小，随后取一粒灌装好的胶囊放置到吸入装置中并刺破；单次抽吸气体体积为4 L，单组实验抽吸3粒胶囊，每组实验至少重复2次。
Figure 1. Schematic diagram of NGI impactor in vitro test process
图1. NGI撞击器体外实验流程示意图
根据NGI各层级的截止粒径用插值法确定各层级的原料药粒径，其中预分离器中的截止直径根据公式(1)近似获得 [15] ，ECD (Efficiency Cut-Off Diameter)表示有效截止粒径，Q表示吸气流速。用于仿真设置的颗粒信息如图2所示。
预分离器：
(1)
Figure 2. For Handihaler and RS01, aerosol size profiles based on drug mass as a function of the arithmetic mean of the cutoff diameters at two adjacent levels of the NGI
图2. 对于Handihaler和RS01，基于药物质量(作为NGI相邻两层级截止直径的算术平均值的函数)的气溶胶尺寸分布图
3.3. 几何模型
本研究所用模型由DPI吸入装置(RS01、Handihaler)、口喉模型(Mouth-throat, MT)及部分气管支气管(Tracheal Bronchus, TB)组成，如图3所示。
Figure 3. Schematic diagram of inhaler device and respiratory tract model, where MT refers to the mouth-throat and TB refers to the tracheal bronchus
图3.吸入装置及呼吸道模型示意图。其中MT指的是口喉，TB指的是气管支气管
根据研究内容，将DPI吸入装置与呼吸道模型组成不同的口部插入方位(深度和角度)，参考Ruzycki [12] 等人的研究，本文选择吸入装置处于水平位置和与水平呈30˚夹角这两个插入角度，同时结合吸入装置吸嘴尺寸，选择5 mm和15 mm这两个吸嘴插入深度。吸嘴插入方位示意图如图4所示。
Figure 4. Mouthpiece insertion position diagram
图4. 吸嘴插入方位示意图
3.4. 仿真设置
使用计算流体力学软件Fluent 19.2 (美国ANSYS公司)对模型进行网格划分和求解计算。当前的研究在欧拉–拉格朗日框架下进行，主要包括代表空气运动的连续相和代表颗粒运动的离散相。其中连续相流场为不可压缩、恒温的粘性牛顿流体，采用k-ω sst模型 [16] 对流场进行模拟；离散相的运动受牛顿第二运动定律控制，本研究中颗粒的体积分数远小于10%，因此采用单向耦合方法耦合离散相和连续相，只考虑流体对颗粒的作用，忽略颗粒对流体的作用 [17] ，相关控制方程见文献 [18] 。对于模型出口选择“Velocity-inlet”条件，根据吸气流速大小设置一个负的速度值，表2总结了相关的仿真参数。
Table 2. Conditions for CFD simulation
表2. CFD模拟条件
假设气道是刚性的光滑壁面，对模型应用无滑移壁面边界条件，由于人体呼吸道湿度大、表面被黏液层覆盖，颗粒与呼吸道壁面接触时可能会被黏附，因此壁面边界条件设置为“trap”来模拟颗粒沉积，模型入口和出口设置为“escape”来模拟颗粒逃逸。本研究的沉积分数是基于颗粒质量计算的，如公式(2)所示，其中
表示在口喉区域(Mouth-Throat, MT)或气管支气管区域(Tracheal Bronchus, TB)的沉积质量，M表示进入呼吸道模型中的颗粒总质量。
(2)
3.5. 模型验证
Thomas [19] 等人的研究表明，多面体网格具有足够的分辨率，尤其是在近壁面区域，可以很好地替代备受关注的六面体网格方式来预测上气道气溶胶的传输和沉积，因此本文选择采用多面体网格对模型进行划分，同时为了提高壁面处的计算精度，对壁面边界层进行了加密处理。网格划分采用Fluent meshing完成，经网格无关性验证后最终所用模型的网格数目在180万⁓220万范围内。
本文通过与Huang、Zhou等人相同的单分散颗粒边界条件来验证目前的数值模型，图5为已发表的不同口喉模型中颗粒沉积分数与撞击参数的对应关系图，并与本研究所用模型对应数据进行对比，从中可我们以看出，本研究所用模型的口喉沉积趋势与已发表文献中的类似，整体呈“S”型。从图中我们还观察到与其它仿生口喉模型数据相比，USP喉的整体沉积趋势偏右，这说明了口喉沉积情况与模型的几何特性有关，USP喉是一个缺乏人类口喉模型基本生理特征的直角管，低估了颗粒的沉积量，Xi [20] ，Huang [21] 等人的研究也证实了该观点。本研究所用模型与USP喉管相比具有更加真实的几何生理特征，沉积特性与其它仿生喉管较为一致，这说明本研究所用模型在一定程度上是可靠的。
Figure 5. Deposition fractions using various MT models from previous studies plotted against the impaction parameter and compared with the present study using the MT geometry
图5. 使用以往研究中的各种MT模型绘制了沉积分数与撞击参数关系图，并与目前使用的MT几何模型的研究进行了比较 [21] [22] [23] [24] [25]
3.6. RS01和Handihaler流场特性对比
从图3(b)、图3(c)的对比中我们可以观察到，虽然RS01和Handihaler都是胶囊型DPI装置，但是它们的几何结构明显不同，RS01有两个进气孔且吸嘴孔径更大。在相同的吸气流速条件下，RS01和Handihaler的流场特性有着较大的差别，图6(a)、图6(b)的速度云图对比中我们可以发现，Handihaler装置内部流速相对较大，气流在离开装置吸嘴时具有较大的动能；从图6(c)、图6(d)的气流迹线图中我们可以观察到，气流在RS01中呈螺旋状向前运动，在离开吸嘴后由于空腔体积增大气流开始向四周扩散，Handihaler中气流具有较大的轴向速度，在离开吸嘴后维持较远的距离后开始扩散，这些流场特性的差异与装置几何特点有关。
Figure 6. Flow field velocity contour diagram (a) (b) and velocity streamline trace diagram (c) (d) of RS01 and Handihaler device at 60 L/min flow rate
图6. 在60 L/min流量条件下RS01和Handihaler装置流场速度云图(a) (b)和气流迹线图(c) (d)
3.7. RS01仿真结果
图7为在60 L/min吸气流速条件下，RS01吸入装置以不同吸嘴插入方位插入口腔时口喉中的流场分布及颗粒沉积分布图。当患者开始吸气时，气流沿吸入装置入口进入装置带动胶囊旋转震动，团聚体在离开胶囊孔时会发生碰撞，在进入旋转腔后与腔体壁面发生碰撞，将药物分解成较大的团聚体，微细粒子主要通过与格栅的碰撞产生 [26] ，随后气流裹挟着分散后的药物粉末经吸嘴递送到患者呼吸道 [26] [27] [28] [29] [30] 。
受RS01几何结构影响，气流在装置吸嘴中做螺旋运动随后进入患者口腔，Coates [31] 等人早期的研究表明，格栅在一定程度上会将气流拉直，但我们观察到在装置吸嘴及口腔前端，气流仍是螺旋运动，从图7(a)流场截面图中我们可以观察到在吸嘴壁面气流速度较高，且延续到口腔中。气流在进入口腔时轴向截面扩大导致较大的速度梯度，随着气流的前进流场逐渐扩散和减弱，在经过咽喉等截面积较小的区域时气流速度急剧增加形成射流，高速气流从声门后侧向气管前侧移动。由此可知，吸入装置的存在会影响口腔中的流场变化，进而可能改变药物的沉积特性，为了更加准确的研究口喉沉积，应将吸入装置考虑在内。
从图7(a)可以观察到，吸嘴的插入方位直接影响吸嘴出口处的高速气流在口腔中的位置分布，当吸嘴与水平呈30˚角度插入口腔时气流在口腔中的发展较为均匀；而当吸嘴水平插入时，高速气流主要分布在口腔的中下部；吸嘴插入深度的改变会影响吸嘴高速射流在口腔中的轴向位置。从图7(b)我们可以观察到，当吸入装置吸嘴与水平呈30˚角度插入口腔时，颗粒在口腔壁面分布较为均匀，但是当吸嘴水平插入时气流首先冲击到舌头，颗粒在口腔侧面以及舌头部位沉积较多。此外我们还观察到当吸嘴插入较浅时，受到吸嘴与口腔前端壁面间回流的影响，导致颗粒在口腔前端嘴唇附近沉积较多。
Figure 7. Flow field velocity cloud diagram (a) and particle deposition distribution diagram (b) of MT region when RS01 is inserted into oral cavity with different mouthpiece insertion directions at 60 L/min flow rate
图7. 在60 L/min流量条件下，RS01以不同吸嘴插入方位插入口腔时MT区域流场速度云图(a)及颗粒沉积分布图(b)
图8为在60 L/min吸气流速条件下，RS01吸入装置以不同吸嘴插入方位插入口腔时气管支气管中的流场分布及颗粒沉积分布图。从图8(a)中我们可以观察到，随着气流深入，在主支气管以下区域吸嘴插入方位对流场分布的影响基本消失 [32] 。此外气流在支气管分叉处发生分离，分离后在下一级支气管内测壁面处速度较高，在外侧壁面处速度较低 [33] 。从图8(b)中我们观察到，在气管分叉处颗粒沉积较多。
Figure 8. Flow field velocity cloud diagram (a) and particle deposition distribution diagram (b) of TB region when RS01 is inserted into oral cavity with different mouthpiece insertion directions at 60 L/min flow rate
图8. 在60 L/min流量条件下，RS01以不同吸嘴插入方位插入口腔时TB区域流场速度云图(a)及颗粒沉积分布图(b)
3.8. Handihaler仿真结果
图9和图10中我们可以观察到，使用Handihaler吸入装置时出口气流速度相对较大，在进入口腔时只有一条强射流。与RS01装置类似，Handihaler吸入装置吸嘴插入方位的改变会影响气流以及颗粒在口腔中的沉积分布，此外也观察到喉部射流以及在主支气管以下流场趋于一致的情况。从图7~10两装置的对比中我们发现，对于RS01和Handihaler，流场的差异主要发生在口喉等上呼吸道区域，与装置的类型及吸嘴插入方位有关，在主支气管下游区域流场趋于一致，与吸嘴插入方位及装置类型关系不大；颗粒沉积结果表明，使用Handihaler时颗粒在口腔的沉积位置较为集中，当吸嘴以30˚角度插入口腔时颗粒沉积集中在口腔后上方，当吸嘴水平插入时颗粒在舌头附近沉积较多。
Figure 9. Flow field velocity cloud diagram (a) and particle deposition distribution diagram (b) of MT region when Handihaler is inserted into oral cavity with different mouthpiece insertion directions at 60 L/min flow rate
图9. 在60 L/min流量条件下，Handihaler以不同吸嘴插入方位插入口腔时MT区域流场速度云图(a)及颗粒沉积分布图(b)
Figure 10. Flow field velocity cloud diagram (a) and particle deposition distribution diagram (b) of TB region when Handihaler is inserted into oral cavity with different mouthpiece insertion directions at 60 L/min flow rate
图10. 在60 L/min流量条件下，Handihaler以不同吸嘴插入方位插入口腔时TB区域流场速度云图(a)及颗粒沉积分布图(b)
3.9. 颗粒沉积结果
上述研究分析了吸入装置吸嘴插入方位对呼吸道内流场以及颗粒沉积位置的影响，为了进一步研究吸入装置吸嘴插入方位对药物在口喉沉积量的影响，我们在不同吸气流速条件下进行了分析，以“插入角度30˚，插入深度5 mm”条件下的沉积量为基准，对其它插入方位的沉积量进行归一化处理，以便直观的考察吸入装置吸嘴插入方位改变对颗粒沉积的影响。
Figure 11. Diagram of the effect of inhaler mouthpiece insertion orientation on particle MT deposition
图11. 吸入装置吸嘴插入方位对颗粒MT沉积影响图
图11显示了RS01和Handihaler吸入装置在不同流量条件下，吸入装置吸嘴插入方位对药物颗粒在呼吸道内的沉积影响。从图11(a)和图11(c)我们可以观察到，随着吸气流速的增加，药物颗粒在口喉中的沉积量增加。从图11(b)中我们可以清楚的发现，对于RS01吸入装置吸嘴插入方位的改变能够影响药物在口喉区域的沉积，当吸嘴以30˚角度插入口腔时，吸嘴插入深度增加对口喉沉积的影响在不同吸气流速条件下有所不同，在吸气流速为60 L/min时影响相对较大；插入深度为5 mm条件下吸嘴插入角度从30˚改为水平时会增加口喉的沉积，且随着吸气流速的增加这种影响逐渐减小；吸嘴水平插入时吸嘴插入深度增加反而降低了口喉沉积。从整体上来看，吸嘴插入方位改变引起的口喉沉积变化范围随着吸气流速的增加而逐渐减小，在30 L/min吸气流速条件下，吸嘴插入方位改变引起的变异率为8%⁓116%，而在90 L/min吸气流速条件下为5.32%⁓20.41%。这表明，吸入装置吸嘴插入方位对口喉沉积的影响在小流量条件下更明显。从图11(d)中我们观察到，对于Handihaler吸入装置吸嘴插入方位改变对药物在口喉中沉积影响相对于RS01来说更小，而且在不同吸气流速条件下观察到类似的现象。
4. 讨论
本文主要研究了吸入装置吸嘴插入方位对药物气溶胶在呼吸道模型中沉积分布的影响，借助经过验证的数值模型分别在三种不同吸气流速条件下对RS01和Handihaler两种吸入装置进行了评估。结合模型内的流场及颗粒沉积分布，对使用上述两种装置时，不同吸嘴插入方位条件下药物递送情况进行讨论。
4.1. 流场差异分析
从图7~10中我们可以发现，RS01和Handihaler两种装置的流场特性有着较大的差异。对于RS01，气流沿两个切向入口进入装置且呈螺旋状运动，在离开吸嘴后维持较短距离的螺旋运动后开始发散，而Handihaler中流速较大，气流沿着轴向运动，在离开吸嘴后维持较远的射流后开始发散。这主要是由两装置的几何特性所决定的，RS01的两个切向进气孔使得气流在装置内呈螺旋运动带动胶囊旋转释放药物颗粒，在进入吸嘴中时气流仍有较大的切向速度，使得气流在离开吸嘴后仍能维持一段距离的螺旋运动；Handihaler只有一个入口，且入口与出口同轴，气流具有较大的轴向速度。此外，气流在离开RS01后快速扩散，只有在出口附近观察到短距离的高速气流，而在Handihaler出口观察到较大的射流，气流呈倒梯形缓慢扩散，这主要与两装置吸嘴出口几何尺寸有关，RS01出口几何尺寸相对较大，由Q = A × V可知(其中Q表示吸气流速、A表示流道横截面积、V表示流体的轴向速度)，在相同的吸气流速条件下RS01装置的出口气流速度相对较小，射流作用相对较弱。
对于同一吸入装置，我们观察到吸嘴插入方位改变主要影响口喉等上呼吸道流场分布，但是随着呼吸道位置的深入，流场差异逐渐减少小，在主支气管下游区域流场分布趋于一致。这主要是因为，吸嘴插入方位直接影响气流与口腔的作用方式，进而导致气流轨迹的变化，这种差异在口喉等上游区域影响较为显著，随着气道的深入逐渐减弱。
4.2. 颗粒沉积分析
图7(b)和图9(b)吸嘴插入方位对药物口喉分布结果表明，使用RS01时颗粒在口喉中的沉积较为分散，这主要与其气流特性有关，气流在离开RS01时呈螺旋状，具有较大的切向速度促进了颗粒向四周的运动；而Handihaler吸嘴孔径较小，气流具有较大的轴向速度，导致颗粒沿气流运动方向在口腔中沉积较为集中。这表明药物在口喉区的沉积位置分布与吸入装置类型及吸嘴插入方位有关，吸嘴插入方位改变会影响药物在口腔的初始入射状态，进而影响药物的沉积特性。图8(b)和图10(b)中气管支气管区域的沉积结果表明，支气管分叉处是药物沉积的集中点。图11的结果表明，随着吸气流速的增加，吸嘴插入方位的改变引起的口喉沉积变化范围逐渐减弱，对于RS01装置来说这种变化更加显著，这可能与它们各自在口腔中的流场分布情况有关。以上结果表明，口喉沉积变化对吸嘴插入方位的敏感性与吸入装置几何结构及气流大小有关，其中RS01对吸嘴插入方位更加敏感。
5. 结论
作为一种特殊的给药剂型，DPI的肺部药物递送效率受患者、装置以及处方的影响，三者相辅相成。本研究以患者使用情况为重点，借助数值模拟的方法研究了RS01和Handihaler两种吸入装置吸嘴插入方位在不同流量条件下对药物递送表现的影响。
本研究结果表明，使用RS01装置时进入口腔的初始气流具有一定切向速度，气流在离开装置吸嘴后快速扩散，颗粒在气流作用下也较为分散，当吸嘴水平插入口腔时会导致舌部沉积较为集中；此外，RS01口喉沉积对吸嘴插入方位较为敏感，尤其是当吸气流速较小时，可能导致较大的沉积差异，在使用时应当注意对吸嘴插入方式的控制。Handihaler出口气流具有较大的轴向速度，相同流量下射流强度大，导致颗粒在口腔中的沉积较为集中，口喉沉积对吸嘴插入方位敏感性比RS01低，但在使用时仍需注意插入方位。综上，吸嘴插入方位对口喉沉积的影响与装置类型及吸气流速有关，在指导患者使用DPI吸入产品时应结合具体的产品，若特定产品在推荐的最佳吸气流速下口喉沉积对吸嘴插入方位敏感，则应加强对其使用方式的培训，以减少因操作不当导致过多的口喉沉积。
NOTES
*通讯作者。