Dassault Systèmes / DPS Software

Strömungssimulation optimiert den Flow im Inhaler

| Redakteur: Peter Reinhardt

Klaus-Dieter Beller (l.) und Bernd Kaiser haben bereits eine Reihe medizintechnischer Projekte gemeinsam gestemmt: Aktuell arbeiten sie an kostengünstigen Inhalern für Nischenmärkte.
Klaus-Dieter Beller (l.) und Bernd Kaiser haben bereits eine Reihe medizintechnischer Projekte gemeinsam gestemmt: Aktuell arbeiten sie an kostengünstigen Inhalern für Nischenmärkte. (Bild: Nicole Rubbe)

Einen medizinischen Wirkstoff zu inhalieren ist oftmals viel effizienter und obendrein auch verträglicher, als ihn anderweitig einzunehmen. Doch für eine massenhafte Verbreitung von Inhalatoren braucht es neue Ansätze. Hier hilft die Strömungssimulation.

  • Strömungssimulation im Zielgebiet der nachhaltigen Medizintechnik
  • Die Lunge ist eine fantastische Resorbtionsoberfläche für Wirkstoffe
  • Galenik nutzt Mechanismus, der vom Tennisspielen bekannt ist

Man kennt sich – und das schon seit vielen Jahren. Bernd Kaiser, Inhaber der Kaiser Ingenieurbüro GmbH (KIB), und Klaus-Dieter Beller, Geschäftsführer von Med & Tec. Beide haben, wenn man so will, zwei Seelen in der Brust: der eine, Kaiser, zunächst im CAD-Systemvertrieb erfolgreich tätig und jetzt als kreativer Chefingenieur erst dann mit einer Lösung zufrieden, wenn sie (nahezu) perfekt ist; der andere, Beller, weil er als diplomierter Ingenieur und Facharzt für Pharmakologie die industrielle Pharmakologie aus dem Effeff beherrscht und sich als promovierter Arzt der ganzheitlichen Medizin verschrieben hat.

Aerosole sind wirkungsvoller als Tabletten

Beller und Kaiser haben über die Jahre hinweg viele Projekte gestemmt. Und sie verbindet noch etwas: Strömungssimulation im Zielgebiet der nachhaltigen Medizintechnik. „Dr. Beller kam auf mich mit der Idee zu, eine Art Dritte-Welt-Inhaler zu entwickeln, mit möglichst wenig Bauteilen in Spritzguss gefertigt“, erklärt Kaiser.

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Inhalatoren – gerne auch Inhaler genannt – erzeugen als medizintechnische Geräte Aerosole oder Dämpfe, die von Patienten eingeatmet werden können. Insbesondere bei der Behandlung von Atemwegserkrankungen wie Asthma oder COPD (chronisch obstruktive Lungenerkrankung) werden sie eingesetzt. Beller erklärt: „Unsere Lunge ist eine fantastische Resorbtionsoberfläche für Wirkstoffe. Ich wollte Inhaler entwickeln, die einfach in der Bauweise und damit kostengünstig sind, so dass sie sich auch für die Schmerztherapie, zur Bekämpfung von Depressionen oder Hormonbehandlungen eignen. Dies sind Indikationen für pharmakologische Nischenmärkte. Mir geht also nicht um Blockbuster für Asthma.“

Aus der medizinischen Forschung ist bekannt, dass es beim Verabreichen von Tabletten zu Unverträglichkeiten und ernsthaften Schädigungen kommen kann Was jedoch über die Lunge verabreicht wird, gelangt direkt über die Venen ins Herz. Das war für Kaiser und Beller der Grund, verschiedene Inhaler-Typen zu entwickeln. In einer Variante haben sie es konstruktiv auf die Spitze getrieben: Er besteht nur noch aus einem Bauteil.

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Ohne Quersubventionierung ging lange gar nichts

Über die Kosten konventioneller Inhaler lassen sich kaum verlässliche Aussagen treffen, denn diese werden nur mit Medikamenten ausgeliefert. „Quersubventionierung ist üblich, weil es um sehr große Stückzahlen geht. Zehn Millionen Stück pro Jahr sind da gar nichts“, bringt es Beller auf den Punkt. Diese Inhaler bestehen jedoch aus 20 und mehr Bauteilen. „Das bedeutet 20 Werkzeuge und 20 Mal Qualitätsmanagement. Im Falle einer Änderung sind mehrere Bauteile betroffen, denn so ein Inhaler ist wie ein Räderwerk. Kein Wunder also, dass derartige Geräte nur für sogenannte Blockbuster eingesetzt werden, die einen Umsatz von über einer Milliarde Euro versprechen“, rechnet Beller vor.

Kaiser Ingernieurbüro vertraut auf Solidworks

Bellers Entwicklungspartner KIB wurde schon vor mehr als 30 Jahren gegründet Im Werkzeugbau hat sich KIB auf die Konstruktion und Fertigung von Prototypen- und Kleinserienwerkzeugen spezialisiert. „Wir verfügen aber auch über eine Kunststoffspritzerei, in der wir Werkzeuge abmustern oder die gewünschten Produkte produzieren“, erklärt Kaiser stolz. Mit einem Entwicklungsdienstleister für Elektronik wird eng bei Mechatronikprojekten kooperiert. Im letzten Jahr wurde sogar ein Joint Venture gegründet (Aistos), um Kunden End-to-End-Mechatroniklösungen anbieten zu können.

Mit CFD neuen Anwendungsfeldern auf der Spur

Doch zurück zu Inhalern. Steht deren Konzept, geht es ums eigentliche Engineering. Hierbei kommt für die 3D-Konstruktion Solidworks von Dassault Systèmes zum Einsatz – und das schon 15 Jahre lang. Seit über einem Jahr nutzen die Kaiser-Experten darüber hinaus Solidworks Flow Simulation zur Analyse von Inhaler-Designs. Mit der intuitiven Computational-Fluid-Dynamics-Lösung (CFD) lassen sich vollständig integriert in die 3D-CAD-Umgebung von Solidworks Was-wäre-wenn-Szenarien unter realen Bedingungen studieren.

Zunächst unternahm Werkstudent David Jehl erste Versuche in Sachen CFD mit einem ziemlich „kryptischen“ Tool, wie Kaiser meint, das Jehl von der Universität Straßburg für seine Masterarbeitet freigeschaltet wurde. Dann kamen KIB-Mitarbeiter auf Kaiser zu, CFD besser direkt in Solidworks durchzuführen. Wolfgang Müller vom CAE Competence Center CAE der DPS Software GmbH in Leinfelden-Echterdingen hat dann eine erste Simulation durchgeführt und Kaiser überzeugt.

Beller erklärt den Einsatz von Solidworks Flow Simulation wie folgt: „Die Lunge ist für Wirkstoffe nur resorptionsfähig, wenn die Partikel eine Größe zwischen 3 und 5 µm haben. In der Galenik, also der Lehre von der Zusammensetzung und Zubereitung von Arzneimitteln, macht man sich einen Mechanismus zunutze, der vom Tennisspielen bekannt ist: Trifft ein mit rotem Sand benetzter Tennisball auf den Schläger, verliert er den Sand. Die Galenik hat daher Trägermaterialen mit verschiedenen adhäsive Eigenschaften entwickelt, die den Wirkstoff auf dem Trägermaterial halten.

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Durch bestimmte CFD-Eigenschaften des Inhalers, wie Abbremsungen und Beschleunigungen durch Engstellen, Zyklone oder Schikanen und dem Ausnutzen des Bernoulli-Prinzips werden Verwirbelungen um das Pulverbett erzeugt, so dass sich der Wirkstoff in der angesaugten Luft verteilt.“ Und Kaiser fügt hinzu: „Es müssen die Strömungsgeschwindigkeit geändert und Turbulenzen erzeugt werden. Dies können wir mit Solidworks Flow Simulation exakt nachbilden.“ Es müssten die Partikelansammlungen gegeneinander „boxen“, meint Beller, damit eine Deagglomeration zustande kommt, die zur notwendigen Partikelgröße führt.

Reicht aber die Genauigkeit von Solidworks Flow Simulation wirklich aus, diesen Mechanismus realistisch abzubilden? „An einem transparenten Prototyp wurde ein physischer Versuch durchgeführt und mit einem Smartphone gefilmt. In der Tat, die Zeitlupenaufnahmen zeigen genau das Strömungsverhalten, das auch die Rechnung von Solidworks vorhersagt“, bestätigt Kaiser.

Blister-Inhaler (Blist-Air) wird derzeit industrialisiert

Es gibt sehr viele Varianten von Inhalern und entsprechende Wege, das Pulver zu verabreichen, zum Beispiel in Form zweiseitiger Folienverpackung (Blister). Ein Blister-Inhaler („Blist-Air“), den Kaiser und Beller gemeinsam entwickelt haben, wird derzeit industrialisiert. Für die Großserienfertigung wollte ein Dienstleister, der auch die komplette Blister-Verpackungslinie dazu entwirft, diesen Inhaler-Typ in Hinsicht aufs Tiefziehen optimieren. „Zum Glück hat man uns das modifizierte Design nochmals zur Begutachtung vorgelegt. Denn geringfügige Änderungen wie ein überarbeiteter Radius auf der Einlaufseite haben schon zu einem völlig veränderten strömungstechnischen Verhalten geführt“, blickt Kaiser kopfschüttelnd zurück und fügt hinzu: „Ohne die Simulation mit Solidworks Flow Simulation hätten wir das modifizierte Design möglicherweise freigegeben, obwohl es nicht mehr funktionierte.“ Minimale, aber notwendige Änderungen am Design führten schließlich auch hier zurück zu den Zielen: produktionstechnische Optimierung und Erfüllung der Funktion.

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