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Good Vibrations

Um einen Einzelkapsel-Inhalator zu optimieren, nutzte Boehringer Ingelheim unter anderem die Ergebnisse der Strömungs-Simulation, da sich das System der vibrierenden Medikamenten-Kapsel mit einem umströmten Tragflügel vergleichen lässt. Zum Einsatz kam dabei die Fluent-Software von Ansys. Vergleiche mit Versuchsergebnissen gaben den Forschern darüber hinaus weitere Impulse und wiesen die Tauglichkeit der verwendeten digitalen Modelle nach.
Berechnung der Fluidisierung eines Pulverhaufens in der Kapsel des HandiHalers.

Über das Inhalieren lassen sich die Atemwege effizient mit feuchter Luft oder Medikamenten versorgen. Als forschendes Arzneimittel-Unternehmen entwickelt Boehringer Ingelheim dabei nicht nur die Arzneimittel selber, sondern auch die Art der Medikation weiter – etwa die Inhalatortechnik. So sorgt beispielsweise der kleine Einzelkapsel-Inhalator HandiHaler dafür, dass ein pulverförmiges Medikament als Aerosol möglichst tief in die Lunge und nicht nur in den Rachenraum gelangt. „Um das Gerät zu optimieren, standen wir vor der Aufgabe, eine hohe Anzahl an inhalierbaren Partikeln – deren Durchmesser kleiner als fünf Mikrometer ist – mit einer minimalen Luftflussrate von etwa 20 Litern pro Minute sicher in die Lunge zu transportieren“, berichtet Dr. Herbert Wachtel, der sich als Physiker bei Boehringer Ingelheim auf die Strömungssimulation (CFD – Computational Fluid Dynamics) spezialisiert hat. „Die geringe Luftflussrate war ein besonders entscheidendes Kriterium, da bei Patienten mit einer chronisch-obstruktiven Lungenerkrankung die Atemwege dauerhaft verengt sind.“

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Boehringer Ingelheim wandte sich mit Hilfe der CFD-Software von Ansys zunächst der aerodynamischen Auslegung der Luft- und Strömungskanäle zu, wobei gleichzeitig unterschiedliche Mund-Rachen-Modelle zu berücksichtigen waren. Außerdem musste sichergestellt sein, dass die Benutzung des HandiHalers im Prinzip selbsterklärend und so einfach ist, dass jeder Patient die vollständige, in einer Kapsel enthaltene Dosis des Medikaments inhaliert. Dazu wurde das Konstruktionsmodell des Inhalators als parametrische 3D-CAD-Geometrie erstellt, um dieses mit den unterschiedlichen Rachenmodellen, die ebenfalls in digitaler Form vorlagen, als Grundlage für die Strömungs-Simulationen zu nutzen. Anschließend wurden Inhalator- und Rachenmodell vernetzt und dann zusammengeführt.

Aerodynamische Auslegung der Strömungskanäle

Um den Inhalator zu nutzen, legt der Patient das Medikament in die Kapselkammer ein. Durch eine Drucktaste mit zwei Dornen erhält die Kapsel ein Einström- und ein Ausströmloch. Lediglich durch das Einatmen wird die Kapsel in eine auf- und abvibrierende Bewegung versetzt, bei der das Pulver aus der Kapsel austritt. „Wir konnten mit der Ansys-Software untersuchen, was für eine Geometrie notwendig ist, damit die Kapsel abhebt und in Schwingungen versetzt werden kann“, erläutert Wachtel, denn das System sei mit einem Tragflügel vergleichbar, der umströmt werden muss. „Zunächst haben wir den Auftrieb berechnet, der groß genug ist, um die Kapsel in Bewegung zu versetzen, damit das Pulver austreten kann.“ Dazu war eine stationäre Betrachtung erst einmal ausreichend.

Viele verschiedene Varianten vergleichen

Die Umrisse des Inhalators wurden so modelliert, dass sich der Durchmesser und die Länge der Kapselkammer schnell modifizieren ließen, und auch der Einlass wurde variiert, wobei der Durchmesser des Einlasskanals viel kleiner ist als der der Kapselkammer. Zusätzlich wurden bei der Analyse des Strömungsfeldes einige typische Lagen der Kapsel berücksichtigt. Dazu war die Ansys-Workbench-Umgebung sehr hilfreich, denn damit konnten die verschiedensten Varianten sehr einfach vergleichend betrachtet werden. Die unterschiedlichen Kapsellagen und Geometrieparameter wurden in Form einer Excel-Tabelle an die Workbench übergeben und anschließend zur Strömungsanalyse von Ansys Fluent automatisch vernetzt und berechnet.

„Wir konnten einfach die unterschiedlichen Geometrieparameter systematisch variieren und die verschiedensten Formkombinationen ausprobieren, um die Kapsel zum Abheben zu bringen“, fährt Wachtel fort. „Dadurch haben wir die Geometrie gefunden, die ein optimiertes Vibrieren der Kapsel ermöglicht.“ Zusätzlich wurde die sich ändernde Schwingungsfrequenz der Kapsel im Experiment analysiert, denn oftmals lassen sich dynamische Fragestellungen im Experiment schneller untersuchen als per Computerberechnung. Hier gilt es, die beiden Analyse-Methoden so effizient einzusetzen, dass sie sich bestmöglich ergänzen und die Forscher einfach und schnell zu den gewünschten Ergebnissen kommen.

„Die Vergleiche zwischen Computer-Simulationen und Versuchsergebnissen sind sehr wichtig, da die Simulationen oft nur auf Annahmen basieren, die sich dann mit Hilfe des Ergebnisvergleichs von Computermodell und realem Modell überprüfen lassen“, betont der Physiker. Auf diese Weise wurden beispielsweise die digitalen Rachenmodelle eingehend überprüft, die Boehringer Ingelheim verwendet. Hilfreich war in diesem Zusammenhang auch das Consulting-Angebot von Ansys Germany, über das Boehringer Ingelheim auf das Know-how dieses Unternehmens in ähnlichen Projekten zurückgreifen konnte. „Damit war es für uns einfacher, uns in neue Thematiken schnell einzuarbeiten.“

User-Defined-Functions für komplexe Aufgabenstellungen

Über die Computer-Simulation und aufgrund der Integration der Fluent-Software in die Ansys Workbench konnte Boehringer Ingelheim die Pulver-Inhalatoren auch über die Geometrie hinaus optimieren. „Wir wollten beispielsweise wissen, wie die Geschwindigkeitsfelder aussehen und wie wir sie am effizientesten nutzen können“, berichtet Wachtel. Die Fluent-Software brachte hier etwas Licht ins Dunkel um zu verstehen, wie sich das Pulver während des Inhalierens in seine einzelnen Bestandteile zerlegt. „Solche Phänomene lassen sich trotz Hochgeschwindigkeitskameras nicht im realen Versuch betrachten – oder wenn überhaupt, dann nur mit aufwändigen Messungen erfassen.“

Ein entsprechendes Pulver besteht grundsätzlich aus einer Mischung von grober Laktose (Partikel rund 30 µm groß) und kleinen Wirkstoffteilchen (kleiner als 5 µm). Über die konkrete Größenverteilung lassen sich die Kräfte beeinflussen, die bestimmen, wie sich das Pulver verteilt. Dazu sind Pulvermodelle notwendig, mit denen auch so genannte Haufwerke beurteilt werden können, um die Fluidisierung des Pulverbettes zu analysieren. „Hier kann mit wenigen Stellschrauben viel beeinflusst werden, wenn bekannt ist, welche Wechselwirkungen zwischen den Partikeln auftreten – beispielsweise ob sie aneinander kleben, wenn sie sich einander nähern“, erläutert Wachtels Kollege Michael Becker, der in diesem Themenbereich gerade an seiner Promotion arbeitet. „Das Pulver wird dabei in ein Strömungsfeld gebracht und wir untersuchen, wie die einzelnen Teilchen sich verteilen.“ Um solche Analysen durchzuführen, bietet die Ansys-Software in Fluent integrierte User-Defined-Functions (UDF) an, die mit Hilfe der Programmiersprache C definiert werden. In einem Gemeinschaftsprojekt arbeiten hier Boehringer Ingelheim und Ansys am DPM-Modell (Discrete Particle Model), mit dem sich das Verhalten verschiedenster Pulverarten besser analysieren lässt. „Bei der nächsten Generation der Einzelkapsel-Inhalatoren sind wir auf diese Weise schneller in der Lage, diese so zu gestalten, dass für das jeweilige Pulver eine ideale Entleerung der Kapsel aufgrund der gezielt gestalteten Strömungsverhältnisse stattfinden kann“, so Dr. Herbert Wachtel abschließend. -co-

Gerhard Friederici ist Mitarbeiter der Cadfem GmbH.

Cadfem GmbH, Grafing b. München Tel. 08092/7005-0, http://www.cadfem.de

Ansys Germany GmbH, Darmstadt Tel. 06151/3644-0, http://www.ansys-germany.com

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