本發(fā)明涉及粉末灌裝設(shè)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(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)的各個環(huán)節(jié)。為提高藥物的生物藥效和人體對水溶性差的藥物吸收，藥物制劑中所用粉體顆粒粒徑通常低至微米或納米級。但這類細(xì)粉材料會表現(xiàn)出非常差的流動性，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。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)在國內(nèi)開始受到高度重視。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)過程中生產(chǎn)成本高，周期長，原料浪費嚴(yán)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(shù)需求，在上世紀(jì)末研究人員開始關(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，常見的粉體微量灌裝技術(shù)是采用氣動技術(shù)和體積法。專利US4350049在1982年介紹了將氣動技術(shù)與體積法結(jié)合在粉體微量運送中的應(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(shè)計更換灌裝設(shè)備，這無疑增大了時間與經(jīng)濟成本。而且只能完成單一粉體或粉體混合物的灌裝，對于多組分藥物就必須先將這些組分大量混合，然后再進行灌裝，這樣會導(dǎo)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(xiàn)粉體堵塞，導(dǎo)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(biāo)位。然而，藥劑生產(chǎn)中的極細(xì)粉末由于其流動性不好，在重力作用下不能實現(xiàn)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(chǎn)品質(zhì)量。公開文獻J Biomol Screen，10(2005)p524-531中介紹了為實現(xiàn)精確的重量法灌裝，灌裝系統(tǒng)增添了有即時質(zhì)量迭代反饋回路的重量平衡系統(tǒng)。該系統(tǒng)由天平反饋即時重量來控制噴頭閥門以開啟和關(guān)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)，由振動激勵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)管或微型漏斗實現(xiàn)微量運送和灌裝的過程中，對運送通道施加由脈沖信號控制的振動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。專利GB2472817介紹了振動在粉體材料微量灌裝上的應(yīng)用。

專利GB2472817中公開了三種不同結(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(zhì)對粉體流動的影響也是需要考慮的一個重要因素。

但是，由于上述專利及公開文獻對于粉末的微量控制技術(shù)僅處于一個初級的研究階段，其公開的上述參數(shù)也僅是一個大概、寬泛的范圍，僅適于實驗室試驗，且未能夠進一步深入的研究。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)計參數(shù)不但不夠完整，而且也并不能真正且很好的實現(xiàn)各種粉末，特別是如藥劑這類細(xì)小顆粒和流動性差、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，迫切需要對制藥粉末的微量控制技術(shù)進行進一步的深入研究，以實現(xiàn)微量化粉體運送與灌裝的真正精確定量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺點，本發(fā)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(xiàn)藥劑粉體微量灌裝控制。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)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在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)計為6～10毫米，所述的圓錐形流道下端出口內(nèi)徑設(shè)計為0.6～1.5毫米，所述的圓錐形流道的半錐角設(shè)計為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。

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。

所述的超聲振動源通過固定件安裝在灌裝流道上，固定件為圓筒形固定件，用以套設(shè)在灌裝流道下部，所述的超聲振動源貼設(shè)于圓筒形固定件下表面。

所述的超聲振動源為圓環(huán)形壓電陶瓷換能元件。

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

1、完善了整個流道中的關(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、提出了對流道材質(zhì)的選用要求，從而使得流道對振動傳播效率高。

3、提出了硼硅玻璃作為較佳的流道加工材料。

4、提出了一種采用超聲波振動源的藥劑粉體灌裝噴頭結(jié)構(gòu)。

附圖說明

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源的安裝示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

本發(fā)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(shè)于噴頭殼體10內(nèi)的灌裝流道11和超聲振動源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)明通過進一步深入的研究以及多次反復(fù)計算、試驗發(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)計為0.6～1.5毫米，所述的圓錐形流道2的半錐角α設(shè)計為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，以滿足小顆粒和流動性差、易結(jié)塊、高粘度的藥劑粉體的微量灌裝控制。

在此需要說明的是，參數(shù)D_o的取值范圍是由粉體顆粒物性以及外部振動參數(shù)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(fā)流出的最小孔徑為D_c，當(dāng)加工出來的孔徑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，此時流道內(nèi)粉體會向下流出；反之，當(dāng)加工出來的孔徑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，不會向下流出。

在振動作用下，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作用下流出而在無振動狀態(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)實驗最終確定，D_o設(shè)計為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)成一個錐形底部，此錐體角度對內(nèi)部粉料流動有著重要的影響。粉料在流道中除了發(fā)生顆粒間滑動外，顆粒也可以沿流道壁面滑動。當(dāng)粉體達到內(nèi)部屈服界限時，粉體顆粒發(fā)生顆粒間滑動；當(dāng)達到壁面屈服界限時，顆粒發(fā)生于壁面間的相對滑動。壁摩擦角w與粉料發(fā)生流動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“臨界值”αmax。經(jīng)實驗最終確定，α設(shè)計為6～20°。

而圓直管型流道1內(nèi)徑D越大，粉體流動阻力越小，質(zhì)量流動越穩(wěn)定。但D增大會加大流道整體尺寸，不利于整個灌裝系統(tǒng)的小型化設(shè)計。經(jīng)實驗最終確定，D設(shè)計為6～10毫米。

由于制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(fā)生聚集，影響后續(xù)粉末的流動，因此本發(fā)明還設(shè)計了以下結(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，粉體流動阻力越小，質(zhì)量流動越穩(wěn)定，因此通過實驗最終確定，將該弧面的曲率半徑R設(shè)計為大于1.5倍的圓柱形流道內(nèi)徑。通過上述弧面過渡，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：質(zhì)量輕、低振動阻尼。

因此，作為一個實施例，所述的灌裝流道11可采用硼硅玻璃等材質(zhì)制作。

請結(jié)合圖2、3、6所示，所述的超聲振動源14通過固定件13固定在灌裝流道11上。作為一個實施例，固定件13為圓筒形固定件，用以套設(shè)在灌裝流道下部，所述的超聲振動源為圓環(huán)形壓電陶瓷換能元件，貼設(shè)于圓筒形固定件下表面，以實現(xiàn)安裝在灌裝流道11上。當(dāng)然，還可以采用其它形狀和結(jié)構(gòu)的固定件及壓電陶瓷換能元件。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赫茲頻率的脈沖電壓下產(chǎn)生高頻振動。如此，通過脈沖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(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，通過旋開上蓋15，可在流道中進行粉體加料；當(dāng)旋開下蓋16后，可進行灌裝。

采用本發(fā)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(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)對超聲激勵的流道內(nèi)藥劑粉體卸料速率與卸料精度(劑間相對標(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，實施例中的誤差遠小于行業(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(yōu)點：

1、進一步的深入研究，改進了流道設(shè)計，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)，使得整個流道結(jié)構(gòu)參數(shù)更為完善，并通過多次反復(fù)試驗和計算獲得了各參數(shù)更為具體的數(shù)值范圍，從而更有利于細(xì)小顆粒和流動性差、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、本發(fā)明的超聲振動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)過程中實現(xiàn)微量化粉體運送與灌裝的精確定量，尤其針對細(xì)小顆粒(特別是小于10微米)和流動性差易結(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。

8、采用了與GB專利存在明顯不同的振動源結(jié)構(gòu)(壓電換能元件)以及振動源組裝方式，全新設(shè)計了一種分體式的超聲振動源14，通過固定件的傳動來帶動灌裝流道超聲振動，以達到更佳的高頻振動的控制方式，從而使微量灌裝設(shè)計變?yōu)楝F(xiàn)實。

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