Application of the Lattice Boltzmann method for analysing the detachment of micro-sized drug particles from a carrier particle

Abstract

Die pulmonale Arzneimittelabgabe durch Pulverinhalatoren (DPI) wird immer wichtiger. Dabei werden kleine Wirkstoffpartikel (d. h. im Bereich zwischen 1 und 5 μm) durch einen Mischvorgang auf die Oberfläche größerer Trägerpartikel aufgebracht, so dass ein Partikel-Cluster entsteht welches besser durch die Atemluft dispergiert werden kann. Für eine hohe Effektivität des DPI ist die Ablösung des Wirkstoffpulvers von der Trägeroberfläche durch Strömungsbeanspruchung und auch Wandkollisionen essentiell. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von Ablösemodellen für das Arzneimittelpulver durch Strömung und Wandkollisionen. Dies wird in Euler/Lagrange Berechnung von Fluidströmung und Partikelbewegung durch einen Inhalator eingesetzt, um deren Effizienz zu bestimmen.Die Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) wird für Strömungssimulationen eingesetzt um die Ablöse-Wahrscheinlichkeiten durch Fluidspannungen abzuleiten. Das verbesserte Verständnis der Wirkstoffablösung bildet die Grundlage für eine Optimierung der Inhalatordesigns.

Pulmonary drug delivery by dry powder inhalers (DPI) is becoming more and more popular. The small drug particles (i.e. in the range between 1 and 5 μm) are mostly blended with larger carrier particles as one particle cluster for better dispersion by the breathing airstream. What is essential for a good performance of a DPI is the detachment of drug powders from the carrier surface through fluid stresses and also wall impacts. The goal of present work is the development of flow and particle-wall collision detachment models for drug powders. This is used in Euler/Lagrange calculations of fluid flow and carrier particle motion through the inhaler and the determination of efficiency of drug delivery. The Lattice-Boltzmann method (LBM) is applied for flow simulations to derive detachment probabilities by fluid stresses. The improved understanding of drug detachment study will be the basis for optimizing inhaler design.