異形粒子の気相中ダイナミクスと粒子の肺内挙動の解析への応用

应用于分析气相中不规则形状颗粒的动力学及其在肺部的行为

• 批准号: 21J13499
• 负责人: 三谷 亮介
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: Osaka Metropolitan University (2022)Osaka Prefecture University (2021)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J13499/
• 关键词: 粉体シミュレーション; カスケードインパクター; 粉体工学; 数値流体力学(CFD); 離散要素法(DEM); エアロゾル; 粉末吸入製剤

肺に吸入される粒子状物質の人体への影響の理解のために、肺内の異形粒子の移動現象を解明することを目的とする。本研究では肺内の粒子の運動を直接観測することは困難であることから、数値シミュレーションに着目する。しかし、異形粒子では、球形粒子と異なり、回転を伴うことから、その運動挙動が複雑となる。申請者は昨年度に構築した異形粒子の抗力モデルを用いて，カスケードインパクター内の粒子運動挙動の解析に尽力した。まずはハイスピードカメラによって，アクリル円管内の針状粒子の運動挙動を実験と数値シミュレーションで比較した。その結果，粒子の軌跡は実験と数値シミュレーションで非常によく一致しており，簡単なモデルにおける計算の妥当性が検証された。続いて，カスケードインパクター内における針状粒子の運動挙動を，実験と数値シミュレーションで比較することで，数値シミュレーションの妥当性を検証した。その結果，本装置内における沈着挙動が実験と数値シミュレーションで一致していることが確認され，本装置内での数値シミュレーションが妥当であることが示された。最後に粒子のアスペクト比を変更し，本装置内の粒子運動挙動のならびに粒子の受ける流体抗力を解析すると，アスペクト比が大きい粒子の方が流体抗力を受けやすく，カスケードインパクターの深部にまで粒子が到達することを明らかにした。この結果から，アスペクト比が大きい粒子の方が，肺の深部に到達しやすいことが示唆された。

为了了解吸入肺部的颗粒物对人体的影响，目的是阐明不规则形状颗粒在肺部内的运动。在本研究中，由于很难直接观察肺部内颗粒的运动，因此我们重点关注数值模拟。然而，与球形颗粒不同，不规则形状的颗粒涉及旋转，使得它们的运动行为变得复杂。申请人使用去年构建的不规则形状颗粒的阻力模型，努力分析级联冲击器内的颗粒运动行为。首先，我们使用高速摄像机在实验和数值模拟之间比较丙烯酸圆管中针状颗粒的运动行为。结果，实验和数值模拟之间的粒子轨迹非常吻合，验证了使用简单模型计算的有效性。接下来，通过比较实验与数值模拟之间的级联冲击器中针状颗粒的运动行为，验证了数值模拟的有效性。结果证实，该装置内的沉积行为在实验与数值模拟之间是一致的，表明该装置内的数值模拟是合适的。最后，通过改变颗粒的长径比，分析该装置内颗粒的运动行为以及颗粒所受到的流体阻力，我们发现长径比大的颗粒更容易受到流体阻力的影响，并且颗粒深入到级联冲击器表明它将会到达。这些结果表明，具有较大纵横比的颗粒更容易到达肺部深处。

项目成果

粉末吸入製剤における粒子運動挙動の解析

粉状吸入制剂中颗粒运动行为的分析

• 发表时间: 2023
• 作者: Li;H.;Yu;M.;Alexandersen;J.;Ishida;N.;Kondoh;T.;Furuta;K.;Izui;K.;Nishiwaki;S.;三谷亮介
• 通讯作者: 三谷亮介

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カスケードインパクターを用いた針状粒子の気中分散性の解析

使用级联冲击器分析针状颗粒的空气分散

• 发表时间: 2022
• 作者: 三谷亮介;大崎修司;仲村英也;綿野哲
• 通讯作者: 綿野哲

カスケードインパクター内における針状粒子の沈着挙動解析

级联冲击器中针状颗粒沉积行为分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 三谷亮介;大崎修司;仲村英也;綿野哲
• 通讯作者: 綿野哲