一種超聲振動式粉體微量灌裝噴頭的製作方法

2023-05-20 01:42:06

本發明涉及粉末灌裝設備，更具體地說，涉及一種超聲振動式粉體微量灌裝噴頭。

背景技術：

在製藥工業中，粉體材料作為原料、中間體、最終產品涉及到藥物研發與生產的各個環節。為提高藥物的生物藥效和人體對水溶性差的藥物吸收，藥物製劑中所用粉體顆粒粒徑通常低至微米或納米級。但這類細粉材料會表現出非常差的流動性，給藥物研發和生產造成了很大的操作技術難題和原料浪費。其中，呼吸道乾粉吸入型藥劑作為治療哮喘、慢性阻塞性肺炎等肺部疾病的有效手段，其研發和生產在國內開始受到高度重視。乾粉吸入劑的生產受嚴格的製藥和製造標準監管，其中最具挑戰性的是對乾粉吸入劑劑間均一性的控制。因此，藥物粉體的灌裝成為影響產品質量的一個重要環節。灌裝工藝的精確度決定著藥品劑間的均一性。其高效性可以解決產品在生產過程中生產成本高，周期長，原料浪費嚴重等問題，減少能源，材料以及人力等資源的浪費。針對此類技術需求，在上世紀末研究人員開始關注粉體微量灌裝技術在生物製藥產業的應用。

目前，常見的粉體微量灌裝技術是採用氣動技術和體積法。專利US4350049在1982年介紹了將氣動技術與體積法結合在粉體微量運送中的應用。但方法不能提供連續性的粉體輸送，粉體填料和運送是交替完成的。採用體積法的灌裝技術是難於生產微劑量藥劑(＜20毫克)的；灌裝粉體的稱量由預先設計好的體積定量槽完成，精確度受粉體顆粒堆積密度的實時變化所影響；如需更改灌裝劑量需要重新設計更換灌裝設備，這無疑增大了時間與經濟成本。而且只能完成單一粉體或粉體混合物的灌裝，對於多組分藥物就必須先將這些組分大量混合，然後再進行灌裝，這樣會導致由混合帶來的劑間組分不均勻。另外，對粘性高的粉體進行灌裝時也很容易出現粉體堵塞，導致低劑量輸出或過程停滯。

重量法是另一種粉體微量灌裝的解決方案。粉末在重力的作用下通過噴嘴卸料進入目標位。然而，藥劑生產中的極細粉末由於其流動性不好，在重力作用下不能實現自由流動，保證不了每次灌裝劑量的一致性，影響灌裝精度乃至產品質量。公開文獻J Biomol Screen，10(2005)p524-531中介紹了為實現精確的重量法灌裝，灌裝系統增添了有即時質量迭代反饋迴路的重量平衡系統。該系統由天平反饋即時重量來控制噴頭閥門以開啟和關閉粉體流動卸料。這樣提高了灌裝精度，但同時也帶來了過程耗時並難以適用於大規模生產線的缺陷。

根據最新研究發現，由振動激勵並控制的粉體微量灌裝技術可以有效解決體積法和重量法現有的應用缺陷。其在使用毛細管或微型漏鬥實現微量運送和灌裝的過程中，對運送通道施加由脈衝信號控制的振動有助於破壞高粘度粉體結塊和顆粒間拱力，引發粉體自由流動。專利GB2472817介紹了振動在粉體材料微量灌裝上的應用。

專利GB2472817中公開了三種不同結構的輸送管，如圖1a～圖1c所示，並給出了相應參數：上部垂直部分的內徑D(不計管壁厚度)在水平方向上最小為5毫米；出口孔徑d在水平方向上最大為200微米至3毫米；下部錐體斜面與垂直方向的角度α在5度到45度(見圖3)。

在專利GB2472817中亦介紹了水作為媒介傳播超聲波振動，因此振動傳播媒介的性質對粉體流動的影響也是需要考慮的一個重要因素。

但是，由於上述專利及公開文獻對於粉末的微量控制技術僅處於一個初級的研究階段，其公開的上述參數也僅是一個大概、寬泛的範圍，僅適於實驗室試驗，且未能夠進一步深入的研究。由於各種粉末本身的物性不同，隨著研究發現，上述設計參數不但不夠完整，而且也並不能真正且很好的實現各種粉末，特別是如藥劑這類細小顆粒和流動性差、易結塊的高粘度粉體的微量灌裝控制。隨著呼吸道乾粉吸入型藥劑(如膠囊、囊泡等)的生產需求不斷增大，迫切需要對製藥粉末的微量控制技術進行進一步的深入研究，以實現微量化粉體運送與灌裝的真正精確定量。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的上述缺點，本發明的目的是提供一種超聲振動式粉體微量灌裝噴頭，通過超聲振動來實現藥劑粉體微量灌裝控制。

為實現上述目的，本發明採用如下技術方案：

該超聲振動式粉體微量灌裝噴頭，包括灌裝流道和安裝於灌裝流道上的超聲振動源，灌裝流道包括圓柱形流道和圓錐形流道，圓柱形流道連通於圓錐形流道上端，且圓錐形流道上端內徑與圓柱形流道內徑相同且大於圓錐形流道下端出口內徑，所述的圓柱形流道內徑設計為6～10毫米，所述的圓錐形流道下端出口內徑設計為0.6～1.5毫米，所述的圓錐形流道的半錐角設計為6～20°，圓柱形流道和圓錐形流道的總高度大於圓柱形流道高度10毫米以上，超聲振動源具有一套接孔，所述的灌裝流道下部嵌入套接孔並固定。

所述的圓柱形流道下端與圓錐形流道上端連通處的內壁表面為連續的一弧面，該弧面的曲率半徑大於1.5倍的圓柱形流道內徑。

所述的灌裝流道採用質量輕、低振動阻尼的材質製作。

所述的灌裝流道採用硼矽玻璃製作。

所述的超聲振動源為壓電陶瓷換能元件，壓電陶瓷換能元件由與灌裝流道下部形狀相適配的圓直管段和圓錐形段所構成。

在上述技術方案中，本發明的超聲振動式粉體微量灌裝噴頭具有以下幾個優點：

1、完善了整個流道中的關鍵參數及具體的參數範圍，更有利於細小顆粒和流動性差、易結塊、高粘度的藥劑粉體的微量灌裝控制。

2、提出了對流道材質的選用要求，從而使得流道對振動傳播效率高；透明材質的硼矽玻璃流道可以方便通過表面體積刻度讀取流道內的粉料餘量。

3、提出了硼矽玻璃作為較佳的流道加工材料。

附圖說明

圖1a～圖1c分別是現有技術的三種輸送管的結構示意圖；

圖2是本發明的超聲振動式粉體微量灌裝噴頭的分解示意圖；

圖3是本發明的超聲振動式粉體微量灌裝噴頭的安裝示意圖；

圖4是本發明的灌裝流道的一種實施例的結構示意圖；

圖5是本發明的灌裝流道的另一種實施例的結構示意圖；

圖6是本發明的灌裝流道與超聲振動源的安裝示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例進一步說明本發明的技術方案。

本發明的超聲振動式粉體微量灌裝噴頭如圖2～圖3所示，主要包括圓管狀的噴頭殼體10、固設於噴頭殼體10內的灌裝流道11和超聲振動源14，灌裝流道11可採用如圖4、圖5兩種不同形式，圖4為管體形式，圖5為腔體形式，當然還可以採用其他的形式。並且，本發明的灌裝流道11結構與專利GB2472817相同之處在於，同樣也包括圓柱形流道1和圓錐形流道2，圓柱形流道1連通於圓錐形流道2上端，且圓錐形流道2上端內徑與圓柱形流道1內徑相同且大於圓錐形流道2下端內徑。

不同之處在於，本發明通過進一步深入的研究以及多次反覆計算、試驗發現，該灌裝流道11的關鍵參數應該包括圓柱形流道1內徑D、圓錐形流道2下端出口內徑Do、圓錐形流道2的半錐角α及圓柱形流道1和圓錐形流道2的總高度H，上述四個參數缺一不可，各參數的具體取值範圍如下：所述的圓柱形流道1內徑D設計為6～10毫米，所述的圓錐形流道2下端出口內徑Do設計為0.6～1.5毫米，所述的圓錐形流道2的半錐角α設計為6～20°，圓柱形流道和圓錐形流道的總高度H應大於圓柱形流道高度10毫米以上以滿足細小顆粒和流動性差、易結塊、高粘度物性的藥劑粉體的微量灌裝。

在此需要說明的是，參數Do的取值範圍是由粉體顆粒物性以及外部振動參數共同決定的。若在重力場下填充在流道中的粉體可以由底端的圓形孔自發流出的最小孔徑為Dc，當加工出來的孔徑Do≥Dc，用物體將該孔堵住後向流道裡填充粉料，填入一定高度後，去掉堵在孔口位置的物體，此時流道內粉體會向下流出；反之，當加工出來的孔徑Do＜Dc，重複上面的操作，當去掉堵塞物後流道內粉體靜止在原處，不會向下流出。

在振動作用下，該「臨界值」變為Dc,v，其定義方法與Dc類似。Dc,v小於Dc，因此為了使粉體僅在振動作用下流出而在無振動狀態下靜止，因此本發明中合理的加工孔徑選擇應遵循以下不等式：

D(c,v)<Do<Dc

經實驗最終確定，Do設計為0.6～1.5毫米。

而半錐角α的確定更為複雜，當收斂流道構成一個錐形底部，此錐體角度對內部粉料流動有著重要的影響。粉料在流道中除了發生顆粒間滑動外，顆粒也可以沿流道壁面滑動。當粉體達到內部屈服界限時，粉體顆粒發生顆粒間滑動；當達到壁面屈服界限時，顆粒發生於壁面間的相對滑動。壁摩擦角w與粉料發生流動所需的最大錐形流道半角αmax有關。所以，為使粉料能自由流出收斂流道半角的取值應小於一個「臨界值」αmax。經實驗最終確定，α設計為6～20°。

而圓直管型流道1內徑D越大，粉體流動阻力越小，質量流動越穩定。但D增大會加大流道整體尺寸，不利於整個灌裝系統的小型化設計。經實驗最終確定，D設計為6～10毫米。

由於製藥粉劑的流動性通常較差，在從圓柱形流道向圓錐形流道流動的過程中，極易在連接處發生聚集，影響後續粉末的流動，因此本發明還設計了以下結構：在所述的圓柱形流道1下端與圓錐形流道2上端連通處的內壁表面為連續的一弧面，該弧面的曲率半徑R越大，粉體流動阻力越小，質量流動越穩定，因此通過實驗最終確定，將該弧面的曲率半徑R設計為大於1.5倍的圓柱形流道內徑。通過上述弧面過渡，能夠避免製藥粉劑在此處的聚集現象，保證製藥粉劑的流速的均一性，更有助於微量精確灌裝控制。

上述灌裝流道11的材質選用需遵循以下幾點：質量輕、低振動阻尼。

因此，作為一個實施例，所述的灌裝流道11可採用硼矽玻璃等材質製作，採用上述材料的效果較佳。

請結合圖2、3、6所示，所述的超聲振動源14具有一套接孔15，所述的灌裝流道11下部嵌入套接孔15並固定，從而實現集安裝和振動功能為一體。作為一個實施例，所述的超聲振動源14可採用形狀與灌裝流道下部形狀相適配，且由圓直管段和圓錐形段所構成的壓電陶瓷換能元件。當然，也可以採用其它類似的固定方式。壓電陶瓷換能元件的頻率在30000赫茲到50000赫茲範圍內，壓電陶瓷換能元件的電極極化方向為垂直指向流道表面的方向，在此方向上，壓電陶瓷換能元件在30000赫茲到50000赫茲頻率的脈衝電壓下產生高頻振動。如此，通過脈衝電壓信號控制壓電陶瓷換能元件的超聲振動和停止，以實現控制灌裝噴頭的灌裝(物料落下)和停灌。

另外，所述的噴頭殼體10上下兩端還設有可拆卸的上、下蓋15、16，通過旋開上蓋15，可在流道中進行粉體加料；當旋開下蓋16後，可進行灌裝。

採用本發明的超聲振動式粉體微量灌裝噴頭對多種藥劑粉體進行灌裝的實施例如下：

上述實施例中顯示了應用於200微米到30微米顆粒粒徑範圍內的藥劑粉體，流道參數對超聲激勵的流道內藥劑粉體卸料速率與卸料精度(劑間相對標準偏差)具有不同的影響。在所選的流道參數範圍內，可以實現微量化(<100毫克/秒)的藥劑粉體灌裝和小於5％的劑間誤差，實施例中的誤差遠小於行業劑間均一性的最低誤差要求。

綜上所述，採用本發明的超聲振動式粉體微量灌裝噴頭與專利GB2472817所公開的輸送管相比，具有以下多個優點：

1、進一步的深入研究，改進了流道設計，增加了圓柱形流道與圓錐形流道的內徑、高度、半錐角，連通處弧面的半徑等參數，使得整個流道結構參數更為完善，並通過多次反覆試驗和計算獲得了各參數更為具體的數值範圍，從而更有利於有利於細小顆粒和流動性差、易結塊、高粘度的藥劑粉體的微量灌裝控制。

2、提出了對流道材質的選用要求，從而使得流道能夠更有利於微量灌裝的精確、有效控制。

3、提出了硼矽玻璃作為較佳的流道加工材料。

4、可在玻璃流道外表面標記有如精度為1毫升的體積刻度，方便讀取流道內的粉料餘量。

5、採用了與GB專利存在明顯不同的振動源結構(壓電換能元件)以及振動源組裝方式，以獲得更優的高頻振動的控制方式；

8、本發明的超聲振動式粉體微量灌裝噴頭能夠廣泛適用於數克每劑、直徑為數毫米的藥劑微劑量藥劑灌裝控制，特別適用於＜20毫克每劑的例如呼吸道乾粉吸入型藥劑(如膠囊、囊泡等)的生產過程中實現微量化粉體運送與灌裝的精確定量，尤其針對細小顆粒(特別是小於10微米)和流動性差易結塊的高粘度粉體，有助於在藥劑生產中提高產品質量，降低成本，減少製藥的時間和複雜性。當然，本發明還適用於除藥劑粉體之外的其它類似物性的粉體微量灌裝控制。

9、設計了一種超聲振動源14與灌裝流道11的一體組合方式，使微量灌裝設計變為現實。

本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發明，而並非用作為對本發明的限定，只要在本發明的實質精神範圍內，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發明的權利要求書範圍內。