Explication of mechanism for precision conveying and spraying of pharmaceutical powder by pulse-field of taper spiral type

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K03867
• Research Institution: Oita National College of Technology
• Principal Investigator: 尾形 公一郎 大分工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (50370028)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 星 崇仁 筑波大学, 医学医療系, 講師 (10757892) ; 上野 崇寿 大分工業高等専門学校, 電気電子工学科, 准教授 (30508867) ; 稲垣 歩 大分工業高等専門学校, 機械工学科, 准教授 (50633400)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 粉体輸送 / 流動性 / 付着性 / 振動流動化 / イオン風 / パルス電源

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，振動流動化で粉体を分散して加圧輸送する技術と，高電場で粉体を輸送する技術に着目して粉体薬剤の輸送噴霧システムの構築と輸送噴霧機構の解明を目的としている。令和4年度の研究においても，粉体特性の測定，振動流動化による粉体の分散輸送特性および高電場での流体と粉体の流動特性の調査，パルス電源製作を行った．
令和4年度は前年度に実施できなかった低振動強度の条件での粉体輸送実験を行った．実験条件として，粒子径の異なるシリカ粒子を用いて，粉体分散供給部への空気速度，空気供給管の高さを変化させて供給空気の圧力測定および単位時間あたりの粉体輸送量の測定を行った．また，直流電源による高電場中でのイオン風と粒子の流動特性の調査およびパルス電源の改良と動作確認を行った．電極には線電極と金網電極を使用した．本実験では粒子径や密度が異なるシリカ，ガラスビーズを用い，電極間隔，印加電圧を変化させてイオン風の風速と粒子速度の測定および粒子運動の可視化を行った．
振動流動化輸送実験では，低振動強度においても粉体輸送が可能となる条件が確認された．粒子径の異なるシリカを輸送した結果から，粒子径が大きく，振動強度と供給空気速度が高く，供給空気管の高さが低い条件において，供給容器内部の粉体の分散状態が良好で，容器内部の粉体がほぼ全量供給できる条件を明らかにできた．
高電界を用いたイオン風について，本実験装置の範囲内では最大風速が1～1.5m/sとなることが分かった．また，電極間隔が短い場合に低印加電圧で風速が増加する傾向が見られた．さらに，PIVで粒子速度を測定した結果，今回使用した粒子では粒子に依らず粒子速度が0.3～0.4m/sに達することが確認された．加えて，パルス電源を改良し，製作したパルス電源が正常に動作して，短パルスを発生できることが確認できた．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本研究では，（１）粉体特性，（２）振動流動層による粉体の分散輸送特性，（３）高電界パルス電場中での粉体輸送特性を解明して粉体薬剤の輸送噴霧システムを構築することが目的である。この目的に対する現在までの進捗状況は以下の通りである．
目的（１）の粉体特性について，本研究では薬剤粉体と同じ負極に帯電するシリカ粒子を用いて粉体輸送実験を試みている．昨年度報告した通りに，粒子径の異なるシリカ粒子を試験用粒子として準備し，パウダーレオメーターを用いて安定性流速変化試験，通気試験，せん断試験を行い，粉体の流動性，通気性および付着性の評価を行い，粉体特性の把握はほぼ達成できている状況である．
目的（２）の振動流動層による粉体の分散輸送特性について，昨年度，粉体薬剤を封入するバイアル瓶を模擬した容器を製作し，その容器を用いて振動流動化輸送装置を実施した．R4年度の研究でも各種パラメータを変化させて振動流動化輸送実験を行った．その結果，振動流動化輸送実験装置で粉体の良好な分散および輸送特性が得られる条件を把握することができた．また，異なる粒子径での管内付着特性もある程度把握できた．一方で，医療用の針を想定したマイクロ流路を用いた実験まで実現ができなかった．
目的（３）の高電界パルス電場中での粉体輸送特性については，R3年度にシステムを構築したパルス電源の改良を行った．パルス電源の動作確認も行い，短パルスを発生させることは実現できたが，パルス電源を用いた粉体輸送実験は実施していない．R4年度は直流電源のコロナ放電で発生させたイオン風を用いた粉体輸送実験を行い，その流動特性の調査を行い，イオン風の風速や粒子速度を明らかにした。
目的（1），（2）は概ね順調に進んでいる．目的(2)のマイクロ流路を用いた粉体輸送実験と（3）のパルス電源を用いた粉体輸送実験は令和５年度の研究で実施する．

Strategy for Future Research Activity

現在までに，目的（１）の粉体特性については，薬剤粉体と同じ負極に帯電するシリカ粒子の流動性，通気性や付着性の評価は済んでいる．粉体の輸送特性や壁面付着には粒子径分布と形状および付着力が影響する．このため，これらの物性と輸送特性および管内付着特性の評価を行う．さらに，極性の影響を見るために正極に帯電するガラスビーズの粉体特性ならびに薬剤粉体の粉体特性の評価も行い，輸送特性との関係を調査する．
目的（２）の振動流動層を用いた粉体輸送特性の調査についても，振動流動化輸送実験装置を用いて引き続き試験を行う．今年度は，粒子径や密度の異なる粒子の管内輸送特性と付着特性の調査を行い，安定的に輸送ができる条件を解明する．また，輸送管から対称面に噴霧した場合の粉体の噴霧特性も明らかにする．さらに，医療用の針での輸送と噴霧を想定したマイクロ流路の製作し，シリカ粒子，ガラスビーズと薬剤粉体の輸送実験と噴霧実験を行う．
目的（３）の高電界パルス電場中での粉体輸送特性については，本研究で製作したパルス電源と電極の組合せによるイオン風の流動特性を明らかにする．また，パルス電場を用いた場合の粉体の輸送特性の調査を行い，粒子速度や流動特性を解明する．さらに，直流電源の結果と比較検討する．
研究の進捗状況および達成度に応じて，国内外の講演会での発表や論文投稿によって得られた成果の発信を行う予定である．

Causes of Carryover

予算は研究の進捗状況に応じて概ね予定通りに使用している．令和4年度は令和3年度に購入した物品を用いて概ね研究を遂行できた．このため，当初予定額を下回ったために次年度使用額が生じた．
研究のさらなる進展のために，実験用粉体の購入費，マイクロ流路の製作，電極製作に必要な金属および樹脂材料，3Dプリンタ樹脂などの消耗品，研究成果発表旅費などとして使用する予定である．