本發(fā)明涉及粉末灌裝設(shè)備，更具體地說(shuō)，涉及一種超聲振動(dòng)式粉體微量灌裝噴頭。

背景技術(shù)：

在制藥工業(yè)中，粉體材料作為原料、中間體、最終產(chǎn)品涉及到藥物研發(fā)與生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。為提高藥物的生物藥效和人體對(duì)水溶性差的藥物吸收，藥物制劑中所用粉體顆粒粒徑通常低至微米或納米級(jí)。但這類細(xì)粉材料會(huì)表現(xiàn)出非常差的流動(dòng)性，給藥物研發(fā)和生產(chǎn)造成了很大的操作技術(shù)難題和原料浪費(fèi)。其中，呼吸道干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(fā)和生產(chǎn)在國(guó)內(nèi)開(kāi)始受到高度重視。干粉吸入劑的生產(chǎn)受嚴(yán)格的制藥和制造標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)管，其中最具挑戰(zhàn)性的是對(duì)干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(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。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(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)成本高，周期長(zhǎng)，原料浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題，減少能源，材料以及人力等資源的浪費(fèi)。針對(duì)此類技術(shù)需求，在上世紀(jì)末研究人員開(kāi)始關(guān)注粉體微量灌裝技術(shù)在生物制藥產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用。

目前，常見(jiàn)的粉體微量灌裝技術(shù)是采用氣動(dòng)技術(shù)和體積法。專利US4350049在1982年介紹了將氣動(dòng)技術(shù)與體積法結(jié)合在粉體微量運(yùn)送中的應(yīng)用。但方法不能提供連續(xù)性的粉體輸送，粉體填料和運(yùn)送是交替完成的。采用體積法的灌裝技術(shù)是難于生產(chǎn)微劑量藥劑(＜20毫克)的；灌裝粉體的稱量由預(yù)先設(shè)計(jì)好的體積定量槽完成，精確度受粉體顆粒堆積密度的實(shí)時(shí)變化所影響；如需更改灌裝劑量需要重新設(shè)計(jì)更換灌裝設(shè)備，這無(wú)疑增大了時(shí)間與經(jīng)濟(jì)成本。而且只能完成單一粉體或粉體混合物的灌裝，對(duì)于多組分藥物就必須先將這些組分大量混合，然后再進(jìn)行灌裝，這樣會(huì)導(dǎo)致由混合帶來(lái)的劑間組分不均勻。另外，對(duì)粘性高的粉體進(jìn)行灌裝時(shí)也很容易出現(xiàn)粉體堵塞，導(dǎo)致低劑量輸出或過(guò)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(guò)噴嘴卸料進(jìn)入目標(biāo)位。然而，藥劑生產(chǎn)中的極細(xì)粉末由于其流動(dòng)性不好，在重力作用下不能實(shí)現(xiàn)自由流動(dòng)，保證不了每次灌裝劑量的一致性，影響灌裝精度乃至產(chǎn)品質(zhì)量。公開(kāi)文獻(xiàn)J Biomol Screen，10(2005)p524-531中介紹了為實(shí)現(xiàn)精確的重量法灌裝，灌裝系統(tǒng)增添了有即時(shí)質(zhì)量迭代反饋回路的重量平衡系統(tǒng)。該系統(tǒng)由天平反饋即時(shí)重量來(lái)控制噴頭閥門以開(kāi)啟和關(guān)閉粉體流動(dòng)卸料。這樣提高了灌裝精度，但同時(shí)也帶來(lái)了過(guò)程耗時(shí)并難以適用于大規(guī)模生產(chǎn)線的缺陷。

根據(jù)最新研究發(fā)現(xiàn)，由振動(dòng)激勵(lì)并控制的粉體微量灌裝技術(shù)可以有效解決體積法和重量法現(xiàn)有的應(yīng)用缺陷。其在使用毛細(xì)管或微型漏斗實(shí)現(xiàn)微量運(yùn)送和灌裝的過(guò)程中，對(duì)運(yùn)送通道施加由脈沖信號(hào)控制的振動(dòng)有助于破壞高粘度粉體結(jié)塊和顆粒間拱力，引發(fā)粉體自由流動(dòng)。專利GB2472817介紹了振動(dòng)在粉體材料微量灌裝上的應(yīng)用。

專利GB2472817中公開(kāi)了三種不同結(jié)構(gòu)的輸送管，如圖1a～圖1c所示，并給出了相應(yīng)參數(shù)：上部垂直部分的內(nèi)徑D(不計(jì)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(jiàn)圖3)。

在專利GB2472817中亦介紹了水作為媒介傳播超聲波振動(dòng)，因此振動(dòng)傳播媒介的性質(zhì)對(duì)粉體流動(dòng)的影響也是需要考慮的一個(gè)重要因素。

但是，由于上述專利及公開(kāi)文獻(xiàn)對(duì)于粉末的微量控制技術(shù)僅處于一個(gè)初級(jí)的研究階段，其公開(kāi)的上述參數(shù)也僅是一個(gè)大概、寬泛的范圍，僅適于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，且未能夠進(jìn)一步深入的研究。由于各種粉末本身的物性不同，隨著研究發(fā)現(xiàn)，上述設(shè)計(jì)參數(shù)不但不夠完整，而且也并不能真正且很好的實(shí)現(xiàn)各種粉末，特別是如藥劑這類細(xì)小顆粒和流動(dòng)性差、易結(jié)塊的高粘度粉體的微量灌裝控制。隨著呼吸道干粉吸入型藥劑(如膠囊、囊泡等)的生產(chǎn)需求不斷增大，迫切需要對(duì)制藥粉末的微量控制技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究，以實(shí)現(xiàn)微量化粉體運(yùn)送與灌裝的真正精確定量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種超聲振動(dòng)式粉體微量灌裝噴頭，通過(guò)超聲振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)藥劑粉體微量灌裝控制。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

該超聲振動(dòng)式粉體微量灌裝噴頭，包括灌裝流道和安裝于灌裝流道上的超聲振動(dòng)源，灌裝流道包括圓柱形流道和圓錐形流道，圓柱形流道連通于圓錐形流道上端，且圓錐形流道上端內(nèi)徑與圓柱形流道內(nèi)徑相同且大于圓錐形流道下端出口內(nèi)徑，所述的圓柱形流道內(nèi)徑設(shè)計(jì)為6～10毫米，所述的圓錐形流道下端出口內(nèi)徑設(shè)計(jì)為0.6～1.5毫米，所述的圓錐形流道的半錐角設(shè)計(jì)為6～20°，圓柱形流道和圓錐形流道的總高度大于圓柱形流道高度10毫米以上，超聲振動(dòng)源具有一套接孔，所述的灌裝流道下部嵌入套接孔并固定。

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

所述的灌裝流道采用質(zhì)量輕、低振動(dòng)阻尼的材質(zhì)制作。

所述的灌裝流道采用硼硅玻璃制作。

所述的超聲振動(dòng)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(gòu)成。

在上述技術(shù)方案中，本發(fā)明的超聲振動(dòng)式粉體微量灌裝噴頭具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1、完善了整個(gè)流道中的關(guān)鍵參數(shù)及具體的參數(shù)范圍，更有利于細(xì)小顆粒和流動(dòng)性差、易結(jié)塊、高粘度的藥劑粉體的微量灌裝控制。

2、提出了對(duì)流道材質(zhì)的選用要求，從而使得流道對(duì)振動(dòng)傳播效率高；透明材質(zhì)的硼硅玻璃流道可以方便通過(guò)表面體積刻度讀取流道內(nèi)的粉料余量。

3、提出了硼硅玻璃作為較佳的流道加工材料。

附圖說(shuō)明

圖1a～圖1c分別是現(xiàn)有技術(shù)的三種輸送管的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的超聲振動(dòng)式粉體微量灌裝噴頭的分解示意圖；

圖3是本發(fā)明的超聲振動(dòng)式粉體微量灌裝噴頭的安裝示意圖；

圖4是本發(fā)明的灌裝流道的一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明的灌裝流道的另一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明的灌裝流道與超聲振動(dòng)源的安裝示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。

本發(fā)明的超聲振動(dòng)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(shè)于噴頭殼體10內(nèi)的灌裝流道11和超聲振動(dòng)源14，灌裝流道11可采用如圖4、圖5兩種不同形式，圖4為管體形式，圖5為腔體形式，當(dāng)然還可以采用其他的形式。并且，本發(fā)明的灌裝流道11結(jié)構(gòu)與專利GB2472817相同之處在于，同樣也包括圓柱形流道1和圓錐形流道2，圓柱形流道1連通于圓錐形流道2上端，且圓錐形流道2上端內(nèi)徑與圓柱形流道1內(nèi)徑相同且大于圓錐形流道2下端內(nèi)徑。

不同之處在于，本發(fā)明通過(guò)進(jìn)一步深入的研究以及多次反復(fù)計(jì)算、試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該灌裝流道11的關(guān)鍵參數(shù)應(yīng)該包括圓柱形流道1內(nèi)徑D、圓錐形流道2下端出口內(nèi)徑D_o、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(gè)參數(shù)缺一不可，各參數(shù)的具體取值范圍如下：所述的圓柱形流道1內(nèi)徑D設(shè)計(jì)為6～10毫米，所述的圓錐形流道2下端出口內(nèi)徑D_o設(shè)計(jì)為0.6～1.5毫米，所述的圓錐形流道2的半錐角α設(shè)計(jì)為6～20°，圓柱形流道和圓錐形流道的總高度H應(yīng)大于圓柱形流道高度10毫米以上以滿足細(xì)小顆粒和流動(dòng)性差、易結(jié)塊、高粘度物性的藥劑粉體的微量灌裝。

在此需要說(shuō)明的是，參數(shù)D_o的取值范圍是由粉體顆粒物性以及外部振動(dòng)參數(shù)共同決定的。若在重力場(chǎng)下填充在流道中的粉體可以由底端的圓形孔自發(fā)流出的最小孔徑為D_c，當(dāng)加工出來(lái)的孔徑D_o≥D_c，用物體將該孔堵住后向流道里填充粉料，填入一定高度后，去掉堵在孔口位置的物體，此時(shí)流道內(nèi)粉體會(huì)向下流出；反之，當(dāng)加工出來(lái)的孔徑D_o＜D_c，重復(fù)上面的操作，當(dāng)去掉堵塞物后流道內(nèi)粉體靜止在原處，不會(huì)向下流出。

在振動(dòng)作用下，該“臨界值”變?yōu)镈_c,v，其定義方法與D_c類似。D_c,v小于D_c，因此為了使粉體僅在振動(dòng)作用下流出而在無(wú)振動(dòng)狀態(tài)下靜止，因此本發(fā)明中合理的加工孔徑選擇應(yīng)遵循以下不等式：

D_(c,v)<D_o<D_c

經(jīng)實(shí)驗(yàn)最終確定，D_o設(shè)計(jì)為0.6～1.5毫米。

而半錐角α的確定更為復(fù)雜，當(dāng)收斂流道構(gòu)成一個(gè)錐形底部，此錐體角度對(duì)內(nèi)部粉料流動(dòng)有著重要的影響。粉料在流道中除了發(fā)生顆粒間滑動(dòng)外，顆粒也可以沿流道壁面滑動(dòng)。當(dāng)粉體達(dá)到內(nèi)部屈服界限時(shí)，粉體顆粒發(fā)生顆粒間滑動(dòng)；當(dāng)達(dá)到壁面屈服界限時(shí)，顆粒發(fā)生于壁面間的相對(duì)滑動(dòng)。壁摩擦角w與粉料發(fā)生流動(dòng)所需的最大錐形流道半角αmax有關(guān)。所以，為使粉料能自由流出收斂流道半角的取值應(yīng)小于一個(gè)“臨界值”αmax。經(jīng)實(shí)驗(yàn)最終確定，α設(shè)計(jì)為6～20°。

而圓直管型流道1內(nèi)徑D越大，粉體流動(dòng)阻力越小，質(zhì)量流動(dòng)越穩(wěn)定。但D增大會(huì)加大流道整體尺寸，不利于整個(gè)灌裝系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)最終確定，D設(shè)計(jì)為6～10毫米。

由于制藥粉劑的流動(dòng)性通常較差，在從圓柱形流道向圓錐形流道流動(dòng)的過(guò)程中，極易在連接處發(fā)生聚集，影響后續(xù)粉末的流動(dòng)，因此本發(fā)明還設(shè)計(jì)了以下結(jié)構(gòu)：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(nèi)壁表面為連續(xù)的一弧面，該弧面的曲率半徑R越大，粉體流動(dòng)阻力越小，質(zhì)量流動(dòng)越穩(wěn)定，因此通過(guò)實(shí)驗(yàn)最終確定，將該弧面的曲率半徑R設(shè)計(jì)為大于1.5倍的圓柱形流道內(nèi)徑。通過(guò)上述弧面過(guò)渡，能夠避免制藥粉劑在此處的聚集現(xiàn)象，保證制藥粉劑的流速的均一性，更有助于微量精確灌裝控制。

上述灌裝流道11的材質(zhì)選用需遵循以下幾點(diǎn)：質(zhì)量輕、低振動(dòng)阻尼。

因此，作為一個(gè)實(shí)施例，所述的灌裝流道11可采用硼硅玻璃等材質(zhì)制作，采用上述材料的效果較佳。

請(qǐng)結(jié)合圖2、3、6所示，所述的超聲振動(dòng)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并固定，從而實(shí)現(xiàn)集安裝和振動(dòng)功能為一體。作為一個(gè)實(shí)施例，所述的超聲振動(dòng)源14可采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(gòu)成的壓電陶瓷換能元件。當(dāng)然，也可以采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赫茲范圍內(nèi)，壓電陶瓷換能元件的電極極化方向?yàn)榇怪敝赶蛄鞯辣砻娴姆较?，在此方向上，壓電陶瓷換能元件在30000赫茲到50000赫茲頻率的脈沖電壓下產(chǎn)生高頻振動(dòng)。如此，通過(guò)脈沖電壓信號(hào)控制壓電陶瓷換能元件的超聲振動(dòng)和停止，以實(shí)現(xiàn)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(shè)有可拆卸的上、下蓋15、16，通過(guò)旋開(kāi)上蓋15，可在流道中進(jìn)行粉體加料；當(dāng)旋開(kāi)下蓋16后，可進(jìn)行灌裝。

采用本發(fā)明的超聲振動(dòng)式粉體微量灌裝噴頭對(duì)多種藥劑粉體進(jìn)行灌裝的實(shí)施例如下：

上述實(shí)施例中顯示了應(yīng)用于200微米到30微米顆粒粒徑范圍內(nèi)的藥劑粉體，流道參數(shù)對(duì)超聲激勵(lì)的流道內(nèi)藥劑粉體卸料速率與卸料精度(劑間相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差)具有不同的影響。在所選的流道參數(shù)范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)微量化(<100毫克/秒)的藥劑粉體灌裝和小于5％的劑間誤差，實(shí)施例中的誤差遠(yuǎn)小于行業(yè)劑間均一性的最低誤差要求。

綜上所述，采用本發(fā)明的超聲振動(dòng)式粉體微量灌裝噴頭與專利GB2472817所公開(kāi)的輸送管相比，具有以下多個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1、進(jìn)一步的深入研究，改進(jìn)了流道設(shè)計(jì)，增加了圓柱形流道與圓錐形流道的內(nèi)徑、高度、半錐角，連通處弧面的半徑等參數(shù)，使得整個(gè)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)更為完善，并通過(guò)多次反復(fù)試驗(yàn)和計(jì)算獲得了各參數(shù)更為具體的數(shù)值范圍，從而更有利于有利于細(xì)小顆粒和流動(dòng)性差、易結(jié)塊、高粘度的藥劑粉體的微量灌裝控制。

2、提出了對(duì)流道材質(zhì)的選用要求，從而使得流道能夠更有利于微量灌裝的精確、有效控制。

3、提出了硼硅玻璃作為較佳的流道加工材料。

4、可在玻璃流道外表面標(biāo)記有如精度為1毫升的體積刻度，方便讀取流道內(nèi)的粉料余量。

5、采用了與GB專利存在明顯不同的振動(dòng)源結(jié)構(gòu)(壓電換能元件)以及振動(dòng)源組裝方式，以獲得更優(yōu)的高頻振動(dòng)的控制方式；

8、本發(fā)明的超聲振動(dòng)式粉體微量灌裝噴頭能夠廣泛適用于數(shù)克每劑、直徑為數(shù)毫米的藥劑微劑量藥劑灌裝控制，特別適用于＜20毫克每劑的例如呼吸道干粉吸入型藥劑(如膠囊、囊泡等)的生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)微量化粉體運(yùn)送與灌裝的精確定量，尤其針對(duì)細(xì)小顆粒(特別是小于10微米)和流動(dòng)性差易結(jié)塊的高粘度粉體，有助于在藥劑生產(chǎn)中提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，減少制藥的時(shí)間和復(fù)雜性。當(dāng)然，本發(fā)明還適用于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(shè)計(jì)了一種超聲振動(dòng)源14與灌裝流道11的一體組合方式，使微量灌裝設(shè)計(jì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，以上的實(shí)施例僅是用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，而并非用作為對(duì)本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)，對(duì)以上所述實(shí)施例的變化、變型都將落在本發(fā)明的權(quán)利要求書范圍內(nèi)。