Simulación del aerosol emitido por un inhalador de dosis medida

DE CHARRAS YL; BERTÍN D; RENAUDO CA; RAMÍREZ RIGO MV

Buenos Aires

Congreso; Exposición y Congreso Internacional de Farmacia y Bioquímica Industrial 2019; 2019

SAFYBI

Introducción: El funcionamiento de los inhaladores de dosis medida (MDI, por sus siglas en inglés) involucra flujos turbulentos y compresibles, múltiples fases y transferencia de calor y masa entre las gotas y el ambiente, entre otros fenómenos. En un aerosol generado por el MDI, el tamaño y velocidad de partícula depende de la presión del propelente, la temperatura ambiente, la concentración del fármaco y del diseño y tamaño de la válvula. Más aún, existe una relación entre el diámetro de la boquilla del actuador y la distribución del tamaño de partícula [1]. La simulación computacional de este tipo de sistemas dispersos puede proveer información relevante para comprender los fenómenos (y sus interacciones) que ocurren en el proceso de aerosolización, predecir resultados obtenidos in vitro y asistir a desarrolladores de formulaciones, diseñadores de inhaladores y a profesionales de la salud para establecer tratamientos adecuados según los requerimientos de cada paciente. Por ello, en este trabajo se implementó un modelo fenomenológico para simular la formación del spray en el MDI y el comportamiento de las partículas aerosolizadas hasta que se encuentran a una distancia de 15 cm. Mediante simulaciones, se estudió la influencia del propelente (HFA 134a y HFA 227) sobre el diámetro y velocidad de las partículas de aerosol. Métodos: El modelo matemático está formado por tres submodelos en serie (Figura 1):?Un submodelo que describe el flujo interno del MDI (cámaras de dosificación y expansión), que permite calcular el caudal, densidad y velocidad del flujo que abandona el inhalador. Dicho modelo se adaptó del propuesto por Clark (1991) [3]. El modelo está formado por balances de masa y energía, y se considera que el flujo es compresible y bifásico. El modelo fue implementado en Matlab.?Un submodelo para calcular la mediana de la distribución de tamaños del aerosol emitido por el MDI. Este modelo es el llamado LISA (Linearized Instability Sheet Atomization), propuesto por Schmidt et al. (1999) [4], y asume que el líquido se dispone en forma de una delgada lamina anular a lo largo de la superficie del orificio de rociado que rodea un flujo de vapor el cual se moviliza más rápidamente por el centro [2]. El modelo fue implementado en Matlab.?Un submodelo de fluidodinámica computacional (CFD) para describir la trayectoria de las partículas de aerosol una vez que son liberadas de la boquilla del MDI. La simulación CFD del spray emitido por el MDI se realizó mediante el software ANSYS Fluent 19.0, siguiendo los lineamientos propuestos por Oliveira et al. [5]. El dominio computacional consistió en un paralelepípedo con dimensiones de 10 x 10 x 15 cm, representando una muestra del ambiente adyacente a la boquilla del MDI. La boquilla del MDI, i.e., el punto de inyección del aerosol, correspondió al centro de una de las caras del paralelepípedo. Las simulaciones se realizaron en estado no estacionario iniciando la inyección del aerosol en 0.02 s; en los primeros pasos solo se simuló el movimiento del aire circundante. Como datos de entrada del modelo, se utilizaron la velocidad y caudal másico del aerosol producido por el inhalador y la mediana de la distribución de tamaño de partícula, información provista por el modelo del MDI. Resultados: Los resultados del modelo implementado en Matlab indicaron que el spray correspondiente al HFA 134a posee partículas de menor tamaño que el correspondiente al HFA 227, lo cual es acorde con lo reportado en la literatura [6]. Además, los valores de velocidad de las partículas emitidas para HFA 134a fueron un 30% mayores que para HFA 227 (Tabla 1). La Figura 2 presenta un resultado de simulación CFD para el aerosol generado con el propelente HFA-134a, en la cual las partículas se representan como esferas, con un tamaño escalado 80 veces mayor al real, y están coloreadas de acuerdo a su velocidad. Se observa que la velocidad de las gotas es más alta en la zona central de la pluma de aerosol y corresponde a las partículas más pequeñas. Además, las partículas se desaceleran rápidamente al abandonar el MDI. A una distancia de 15 cm del inhalador, las partículas perdieron la mayor parte de su inercia inicial, alcanzando una velocidad menor a 2 m/s. Cuando el aerosol con el propelente HFA 227 fue simulado, se obtuvieron resultados cualitativamente similares que para HFA 134a. Si bien la velocidad de inyección de las partículas con HFA 227 es 25% menor a la de las partículas con HFA 134a (Tabla 1), la inercia de las mismas es 3 veces mayor. Por esta razón, la pluma de aerosol con HFA 227 mantiene su trayectoria inicial por más tiempo y a mayor distancia que el correspondiente a HFA 134a.Conclusión: Mediante simulaciones, se verificó que el propelente utilizado en la formulación del aerosol influye en la velocidad y diámetro de las partículas emitidas por el inhalador. Para los dos propelentes estudiados, se observó que las partículas disminuyen su velocidad en un tiempo considerablemente corto. En futuros trabajos se prevé determinar experimentalmente las velocidades y diámetros de aerosoles emitidos por MDIs para comparar con los resultados simulados y validar el modelo matemático.