药物吸收仪搅拌装置的研究与设计

刘佳鑫张伟昊

1 重庆市第一中学 （重庆 4 00030）

2 重庆大学 （重庆 400044）

药物吸收仪搅拌装置的研究与设计

刘佳鑫1张伟昊2

1 重庆市第一中学 （重庆 4 00030）

2 重庆大学 （重庆 400044）

针对药物吸收仪模拟药物在胃蠕动时与胃液混合的溶解过程，论文设计了一种推进式和螺杆-螺带式相结合的桨叶,其搅拌效果能一定程度模拟药物在胃内的消化过程，为药物吸收仪后续研究开发等相关工作提供参考。

药物吸收仪 搅拌桨叶 混合效率

0.引言

药物吸收仪是一种旨在通过综合机、电、液、化、生等工程技术，搭建一套模拟药物在人体内消化吸收过程的仿生系统，拥有高自动化和高模拟程度的特点，能够较好还原药物在人体内从胃到小肠的消化吸收过程，从而实现对未上市药物的成药性评价和已上市药物的一致性评价。通过对人体温度、氧气、酸碱等环境和胃肠等消化吸收场所的模拟，实时监测收集药物消化吸收过程中各环节的相关参数，为开展相关评价提供基础数据。其中，对于药物在胃中的消化过程模拟，主要采用搅拌桨和搅拌槽的形式对药物进行溶解。

桨叶作为搅拌设备最重要的零部件之一，对混合的效果有显著影响[1]。目前关于搅拌桨叶的研究主要有两个方向：一是根据工况选择搅拌桨叶类型，优化桨叶参数，获得最佳混合效果；二是新型搅拌器的开发，提升搅拌混合效率[2]。

本文主要对三种流场类型与桨叶基本类型进行介绍，并基于药物吸收仪，通过分析人体胃的消化运动方式及环境要求，设计搅拌机构，使搅拌效果能够模拟药物在胃蠕动时与胃液混合的溶解过程。

1.典型桨叶及流型介绍

搅拌桨主要安装在搅拌槽的中央，其产生的流场类型一般分为三种：径向流、轴向流及切向流，如图1所示。径向流指流体的流向与搅拌轴垂直，沿桨叶半径方向运动；轴向流是指流体沿平行于搅拌轴方向的流动；切向流则是流体随着桨叶的旋转做平行运动[3]。通常情况下径向流和轴向流对搅拌的作用较大，而切向流会引起打旋现象，不利于混合，应加以抑制。

搅拌桨的类型复杂多样，图2展示了基本桨叶类型，其中桨式搅拌桨叶、涡轮式搅拌桨叶、推进式搅拌桨叶是最常用的搅拌桨叶类型[4]。从流场类型角度看，桨式搅拌桨适用于轴向流为必要条件的工况，圆盘涡轮式搅拌桨的流场类型主要为径向流，推进式搅拌桨的流场类型则以轴向流为主，如图3所示。

图1. 三种流场类型

图3. 常用搅拌桨流场图

2.药物吸收仪搅拌机构的技术要求

人体胃主要分为胃底、胃体和胃窦。与食管相连接的部分称作贲门，与十二指肠相连接的部分为幽门。胃的主要功能是贮存、混合和在胃液的帮助下使内容物变为浆状，并控制内容物进入小肠。胃消化除了来自胃液的化学性消化之外，其过程还伴随着一种机械性消化形式——即胃的蠕动收缩，它大体上属于一种规律性的舒张运动，一般发生在胃体和胃窦之间，在幽门和十二指肠的区域将食物排空，并伴有回推以促进食物与胃液混合[5]。

结合以上分析，药物吸收仪以搅拌桨、槽的方式来模拟胃的消化运动，流型则以轴向流为主，同时伴有径向流，在局部有涡流，整体上为两侧流向呈由上到下，中间由下到上的趋势，使上、下层溶液混合均匀，减小浓度差异。其次，由于酸液环境和温度的影响，常见的可加工金属材料多会受到盐酸的腐蚀，所以对搅拌桨的材料也有一定要求，避免干扰整个仪器的实验结果。

图4. 胃结构及胃蠕动示意图

3.药物吸收仪搅拌机构设计

由于胃的蠕动是一个缓慢的过程，对搅拌系统要求的转速不高，因此转速初定为50～200r/min。同时，本文采用传统的搅拌桨和搅拌槽的形式，搅拌桨伸入搅拌槽，通过联轴器连接步进电机的方式传动。

由于转速不高，一般的平底搅拌槽容易造成药物颗粒在死角处（杯底与侧壁连接处）的沉积，故选用圆柱形的球底玻璃杯作为药物吸收仪的搅拌槽，可有效解决沉积的产生，使搅拌混合效果提升，搅拌槽的有效容积为1L左右。

步进电机作为搅拌的动力源，其成本较低，可靠性高，是市面上较为常用的电机。由于搅拌机构的整体体积不大，被搅拌物的粘度低，所消耗的搅拌功率低，故选择常规的35型电机即可。

图5. 搅拌机构简图与三维示意图

为了模拟药物在人体消化的混合过程，搅拌桨叶的选择尤为重要。经上一小节的分析，药物吸收仪中的搅拌桨叶应该以轴向流桨叶为主。传统的轴向流桨叶有推进式桨叶、螺杆式桨叶及折叶式桨叶等，但它们在单独使用时总是不能满足药物吸收仪中对搅拌效果的要求。例如，推进式桨叶能够产生较大轴向流，但是没有办法满足多个涡流同时形成；折叶式同理，且在低转速下混合效率不高；螺杆式虽能在低速下搅拌，但搅拌空间范围较小。故考虑复合型搅拌桨，在综合各搅拌桨特点后，论文选用推进式和螺杆-螺带式相结合的桨叶作为药物吸收仪的搅拌桨叶。

该桨叶与常规的复合桨叶、同双层三叶桨比较，混合时间较短、混合效果及速率更优。螺杆-螺带式桨叶能够满足低速下的搅拌，当其工作时，流体整体向下运动，轴附近的流体向上流动，而在槽边的螺带处出现漩涡使流体向上流动，整体上形成循环。同时推进式搅拌桨产生的较大轴向流，可加速被搅拌物的流动，使药物更快速、更充分地混合。另外，桨叶与轴均采用聚四氟乙烯材料进行喷涂，聚四氟乙烯具有良好的耐酸性，能有效抵抗盐酸腐蚀的同时几乎不溶于任何溶剂，进而不影响药液成分，对药物吸收仪的实验结果不产生干扰。

4.结束语

本文通过对部分搅拌桨叶进行分析，介绍了常用搅拌桨叶的流场类型。根据药物吸收仪搅拌要求设计了一种螺杆-螺带与推进式的复合桨叶及其搅拌装置。该搅拌装置能较好地模拟还原药物在胃中的蠕动消化过程，结合球形搅拌槽底与聚四氟乙烯喷涂表面，在实现药物和人工胃液充分地混合、减少药物颗粒沉积的同时，不干扰实验结果，为药物吸收仪后续研究开发等相关工作提供参考。

[1] 朱俊, 周政霖, 刘作华,等. 刚柔组合搅拌桨强化流体混合的流固耦合行为[J]. 化工学报, 2015,66(10):3849-3856.

[2] 陈明义. 新型行星式搅拌器开发及性能研究[J]. 化学工程, 2010,38(7):47-50.

[3] 陈明义. 筒式搅拌器及其开发[J]. 化工机械, 2010,37(5):557-559.

[4] 孙玉涛. JBT1.5搅拌桶叶轮选型与强度校核[J]. 煤矿机械, 2014,35(7):38-40.

[5] 姜叙诚, 袁耀宗. 消化系统[M]. 上海交通大学出版社, 2010.

Research and Design of Rabbling Mechanism of the Equipment for Drug Absorption

LIU Jia-xin1ZHANG Wei-hao2
1 Chongqing No.1 Middle School (Chongqing 400030)
2 Chongqing University (Chongqing 400044)

Aiming at the dissolution process of simulating the mixing of drug and gastric juice at the period of stomach peristalsis in the equipment for drug absorption, an agitator blade is designed by combining the propelled type with screw- ribbon type. The mixing efficiency is able to simulate the process of medicine digestion in the stomach to some extent, which provides reference for followup research and development of the equipment for drug absorption.

agitator blade, mixing efficiency, equipment for drug absorption

1006-6586(2017)05-0088-03

TH789

A

2017-02-22

张伟昊，硕士研究生，主要研究方向为医疗器械。

中国中医科学院中药研究所委托课题