Entwicklung und Validierung eines Verneblersystems zur individuellen Deposition von Aerosolpartikeln in der Lungenperipherie

Abstract

Respiratorische Erkrankungen finden sich gleichermaßen in Veterinär- und Humanmedizin. Die Inhalation von Aerosolen wird als primärer Behandlungsweg vieler Lungenkrankheiten angesehen. Aufgrund steigender Prävalenz und Inzidenz besteht somit Bedarf an technischen Weiterentwicklungen für eine Optimierung der Inhalationstherapie. Hierzu zählt die Fähigkeit einer ortsgenauen Deposition von Aerosolen in der Lunge. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Validierung eines Verneblersystems, welches eine individuelle Deposition von Aerosolpartikeln in der Lungenperipherie ermöglicht. Die Voraussetzung für eine individuelle Deposition ist eine manuelle Anpassung der Partikelgröße, welche Einfluss auf den intrathorakalen Depositionsort hat. In einer Validierungsstudie wurde die Aerosol-Partikelgröße des entwickelten Verneblers mit Hilfe eines Laserbeugers bei verschiedenen Geräteeinstellungen bestimmt. In einem dreifaktoriellen Versuchsaufbau wurden diese Geräteeinstellungen als Volumenstrom in die Verneblerkammer, Prallplattenhöhe des Verneblerdeckels und regelbarer Widerstand auf der Verneblerplatine definiert. Als Ergebnis wurden mittlere Partikelgrößen im Bereich von 2,38 µm (x10 = 1,36 µm; x90 = 3,77 µm) bis 4,42 µm (x10 = 1,91 µm; x90 = 8,30 µm) erzielt. Hierbei resultierte der Volumenstrom in die Verneblerkammer als maßgeblicher Einfluss für eine Partikelgrößenänderung. Eine dreifaktorielle Varianzanalyse lieferte für den Volumenstrom einen höchst signifikanten Wert von p < 0,001 %. Die Prallplattenhöhe wirkt sich mit einem Wert von p = 2,2 % ebenfalls signifikant auf die Partikelgröße aus, jedoch ist ihr Einfluss geringer. Der Widerstand ist mit einem Wert von p = 5,9 % nicht signifikant und regelt lediglich die Menge des zu vernebelnden Aerosols. Das entwickelte Verneblersystem ist auf Basis der resultierenden Aerosolpartikelgrößen geeignet für die Inhalationstherapie. Darüber hinaus lässt sich eine Regulation des Depositionsortes indirekt über den Volumenstrom realisieren, welches ein Alleinstellungsmerkmal darstellt und bislang durch kein anderes Vernerblersystem ermöglicht werden kann. In einem zukünftigen Schritt sollen eine Füllstandkontrolle sowie automatische Nachfüllung des Medikaments integriert werden. In weiteren Studien soll die Gebrauchstauglichkeit des Systems untersucht werden, um es letztendlich in einer speziesübergreifenden Anwendung sowohl für die Veterinärmedizin als auch für die Humanmedizin zu etablieren. Respiratory diseases can be found in both veterinary and human medicine. The inhalation of aerosols is accepted as primary treatment for many lung diseases. Since prevalence and incidence numbers are constantly rising, there is a strong demand for technical developments to optimize inhalation therapy. This includes the ability to deposit aerosol particles in desired lung areas. The aim of this study is the development and validation of a nebulizer system that allows a distinct deposition of aerosol particles in the lung periphery. The premise for a distinct lung deposition is a manual adjustment of particle size, which eventually effects the intrathoracic site of deposition. In a validation study, the produced aerosol particle size of the developed nebulizer was measures via laser diffraction analysis during various device settings. In a three-factorial experimental setup, these device settings were defined as a) volume flow rate, b) height of the baffle plate, which is part of the nebulizer cover, and c) adjustable resistance on the nebulizer board. The results showed average particle sizes between 2.38 µm (x10 = 1.36 µm; x90 = 3.77 µm) and 4.42 µm (x10 = 1.91 µm; x90 = 8.30 µm). The volume flow rate into the nebulizer unit represented the strongest influence regarding alteration of particle size. A three-factorial variance analysis showed a highly significant value of p < 0.001 % for the volume flow rate. The height of the baffle plate also showed a significant value of p = 2.2 % regarding particle size alteration. The adjustable resistance showed a value of p = 5.9 % and is therefore not significant. It merely changes the quantity of the produced aerosol over time. Based on these results, the developed nebulizer qualifies for inhalation therapy. Furthermore, it indirectly allows a distinct deposition inside the lungs by adjusting the volume flow rate. This represents a unique feature that has not been provided by any other nebulizer system. Further development includes a filling level control, as well as automatic refill of the drug being nebulized. Further studies will evaluate the usability and handling of the device to eventually enable an application in both veterinary and human medicine.