Estudio de parámetros de diseño en aerocámaras para la administración de medicamentos inhalables - de Charras, Yamila Lorena (2024)
El asma y la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) son algunas de las principales enfermedades crónicas que afectan a niños y adultos. Estas enfermedades no tienen cura, por lo que un tratamiento adecuado es crucial para prevenir y controlar los episodios clínicos. En particular, la administración de medicamentos por inhalación es recomendada, ya que estos actúan directamente en el sitio de acción, minimizando la distribución sistémica y los efectos secundarios. Debido a la dificultad de realizar la técnica de inhalación de manera correcta, se recomienda que los inhaladores de dosis medida se utilicen combinados con aerocámaras. Las aerocámaras permiten el flujo controlado del fármaco desde el inhalador hacia el paciente solo durante la inhalación, mediante una válvula unidireccional de baja resistencia. Además de facilitar la coordinación entre la acción del inhalador y la respiración, las aerocámaras mejoran la distribución y cantidad de medicamento que llega a las vías respiratorias inferiores y reducen la velocidad del aerosol, lo que disminuye el impacto y la deposición del medicamento en la orofaringe. Varios factores pueden afectar el rendimiento de una aerocámara, como características de diseño (por ejemplo, volumen, forma, carga electrostática), compatibilidad con el inhalador adjunto y la interacción usuario-dispositivo. El objetivo global de la presente Tesis doctoral es comprender el funcionamiento y las variables clave en el diseño de aerocámaras para la administración de aerosoles inhalables, con el fin de optimizar su eficacia, maximizar la llegada de fármaco al sistema respiratorio y mejorar la experiencia de uso fundamentalmente en términos de facilidad en su mantenimiento. Para ello, el trabajo se centra en estudiar diferentes diseños de aerocámaras y evaluar su rendimiento para la entrega de fármacos inhalables. Se utilizan métodos avanzados de modelado matemático, simulaciones computacionales y estudios experimentales específicos para evaluar aerosoles, de modo tal de comprender el comportamiento de las partículas y optimizar el diseño de la cámara para mejorar los resultados terapéuticos y la experiencia del usuario. El trabajo comienza con el desarrollo de un modelo matemático que predice con precisión la distribución de tamaño de partículas generadas por el IDM, validado con datos experimentales obtenidos por difracción láser. Los ensayos experimentales en impactador demostraron que el uso de aerocámaras mejora significativamente la calidad del aerosol al reducir el depósito orofaríngeo y aumentar la fracción de partículas finas. Además, se presenta el primer estudio del rendimiento aerodinámico de las aerocámaras de origen nacional. Este análisis exhaustivo de aerocámaras comerciales demostró que el diseño de la válvula y postválvula es un factor crítico en el rendimiento de las mismas. Las simulaciones CFD validaron estos hallazgos, mostrando que la mayor deposición de partículas ocurre en estas zonas. Finalmente, se propone un prototipo de aerocámara con un rendimiento mejorado en cuanto a la calidad del aerosol emitido y destacando un diseño modular que facilita su mantenimiento y limpieza. A continuación, se presenta brevemente el contenido de cada capítulo: En el Capítulo 1 se presenta el contexto y la relevancia de las aerocámaras en la administración de medicamentos inhalables. Se discuten los desafíos actuales y los objetivos de la investigación. En el Capítulo 2 se describen las aerocámaras comerciales a estudiar, los materiales utilizados en los ensayos experimentales y la metodología experimental empleada para evaluar la performance de inhaladores de dosis medida y aerocámaras. En el Capítulo 3 se desarrolla un modelo matemático para predecir la distribución de tamaño de partículas del aerosol generado por un inhalador de dosis medida. El modelo se valida con datos experimentales. Mediante simulaciones con el modelo validado y ensayos experimentales, se describe la distribución de tamaño de partícula generada por un inhalador. En el Capítulo 4 se describe un modelo de fluidodinámica computacional (CFD) para simular el flujo de aire y partículas en el interior de las aerocámaras. Se identifican los parámetros que presentan mayor influencia en los resultados del dispositivo. El modelo CFD desarrollado se utiliza en los capítulos siguientes para evaluar y comparar aerocámaras. En el Capítulo 5 se realiza un análisis teórico-experimental de diferentes aerocámaras comerciales. Los resultados experimentales muestran que las VHC disminuyen en más de un 50% la dosis emitida con respecto a un inhalador solo. Sin embargo, mejoran la calidad del aerosol al aumentar significativamente la fracción de partículas finas. Las simulaciones CFD muestran que la válvula es uno de los factores principales que afecta el rendimiento de las aerocámaras. En el Capítulo 6 se presenta un prototipo de aerocámara diseñado para evaluar el impacto de diferentes variables de diseño en la performance aerodinámica, contribuyendo así a una comprensión más profunda y precisa de la influencia de dichas modificaciones en el contexto de la investigación. Se estudia principalmente el diseño de la válvula, explorando diferentes geometrías y configuraciones. El diseño se complementa mediante un concepto de estructura modular que facilita su limpieza, transporte y mantenimiento. En el Capítulo 7 se resumen los resultados más destacables y se presentan las futuras líneas de investigación en las que debería orientarse el estudio de las aerocámaras. En conclusión, esta Tesis contribuye a la comprensión integral del rendimiento aerodinámico y el diseño de las aerocámaras utilizadas en terapéutica y proporciona lineamientos que pueden guiar el desarrollo de nuevos dispositivos eficaces para la administración de medicamentos inhalables.