為什麼你的鼻噴劑無效？噴頭與壁面交互作用才是關鍵！
近年來，隨著呼吸道疾病治療需求的增加，鼻腔給藥系統的研發已成為醫藥領域的重要焦點。美國國家醫學圖書館最新研究揭示，上呼吸道特別是鼻咽部位於鼻腔後部，是SARS-CoV-2等病毒的主要感染起始區，這使得鼻腔靶向給藥技術的優化變得尤為關鍵。傳統鼻噴劑由於給藥角度和液滴大小的限制，往往無法有效將藥物輸送至目標區域，導致治療效果不彰。作為藥包材工程技術研究中心首席科學家，我將從醫藥功能性包裝材料的專業角度，深入分析鼻腔噴霧劑的流體力學原理、計算模型開發以及產品設計優化策略，為業界提供技術前沿的見解與解決方案。
一、噴頭與壁面交互作用的基礎機制
噴霧液滴撞擊鼻腔壁面的物理現象極為複雜，涉及黏附、反彈、擴散與飛濺等多種狀態轉換。這些狀態轉換的條件主要取決於液滴的撞擊能量與鼻腔表面特性。當撞擊能量較低時，液滴傾向於黏附在表面；中等撞擊能量可能導致液滴反彈；中高能量則會引起液滴擴散；而高能量撞擊則會產生飛濺現象。這種動態交互過程直接影響藥物在鼻腔內的分布與吸收效率。
韋伯數（We）與雷諾數（Re）是預測液滴撞擊結果的關鍵無量綱參數。韋伯數代表慣性力與表面張力的比值，而雷諾數則反映慣性力與黏滯力的相對重要性。研究表明，當We<1時，液滴主要表現為黏附；1<We<4時可能出現反彈；更高韋伯數下則會發生擴散或飛濺。這些參數的臨界值會受到鼻腔表面潤濕特性和液膜厚度的顯著影響，這在設計醫藥級噴霧器時必須納入考量。
鼻腔表面液膜的形成與演變過程對藥物輸送效率有著深遠影響。初始液膜厚度與表面潤濕特性決定了後續液滴撞擊行為的差異。親水性表面有利於液膜形成，而疏水性表面則可能導致液滴聚結或反彈。剪切稀化效應在鼻噴劑配方中尤為重要，許多藥用噴霧製劑在高剪切速率下表現出黏度降低的特性，這會顯著改變液體的流變行為，影響其在鼻腔表面的鋪展與滲透。例如，Flonase等鼻噴劑在噴霧過程中經歷約10^5 s^-1的高剪切速率，此時黏度會急劇下降，有利於霧化；而在沉積後，隨著剪切速率降低，黏度恢復，這有助於藥物在目標部位的滯留。
二、沉積後液體運動的關鍵驅動因素
噴霧動量在沉積初期對液體遷移起著主導作用。高動量撞擊不僅會導致液滴在初次接觸時產生劇烈變形，還會引發複雜的二次運動，包括液滴飛濺、衛星液滴形成以及液膜波動。這些動量驅動的現象會顯著擴大藥物在鼻腔表面的分布範圍。研究數據顯示，鼻噴劑液滴的撞擊速度通常在10-15 m/s之間，這對應的韋伯數範圍足以引起多種複雜的液-壁交互作用。
噴霧錐角設計是控制液體分布範圍的另一關鍵因素。較大錐角（如35°）可使噴霧更廣泛地覆蓋鼻腔前庭區域，而較小錐角（如28°）則能實現更集中的藥物沉積。Flonase Sensimist採用35°錐角設計，相比Flonase的28°錐角，能產生更分散的沉積模式。這種差異在臨床應用中表現為不同的藥物分布特性，影響治療效果與患者使用體驗。
氣流剪切力與重力的競爭效應在沉積後期成為主導因素。在吸氣峰值階段（約20.2 L/min），氣流產生的剪切應力可將液體向後推送至鼻咽部；而在吸氣間歇期，重力則會驅使液體向前回流。這種前後擺動的液體運動模式會持續數秒鐘，直到液體最終穩定沉積於特定區域。計算流體力學模擬顯示，7-17μm的液滴在這種競爭環境下表現出最佳的靶向性，能夠在氣流剪切與重力之間取得平衡，實現理想的鼻咽部沉積。
三、計算模型開發與驗證
噴霧-壁面交互作用(SWI)模型的架構整合了多狀態撞擊算法的數學表述，能夠精確模擬黏附、反彈、擴散與飛濺等複雜現象。該模型採用基於韋伯數和Ohnesorge數的狀態轉變準則，並考慮了表面粗糙度與液膜厚度的參數化處理。例如，對於無量綱膜高度h*≤3Ra*^0.16的乾壁狀態，模型設定We<1為黏附，We<4為反彈；而對於h*>2的深池狀態，黏附與反彈的We閾值分別調整為2和20。
沉積後液體運動(PDLM)模型基於潤滑理論，求解薄膜動力學方程以追蹤液體在鼻腔表面的流動。該模型充分考慮了氣流壓力、重力、表面張力以及氣液界面剪切力等多種驅動因素。特別值得注意的是，模型引入了接觸角滯後效應的模擬方法，通過高斯分布隨機抽樣接觸角，以反映真實表面潤濕特性的不均一性。這種精細化建模使得PDLM能夠準確預測液體在鼻腔複雜幾何結構中的分布演變。
模型驗證結果顯示，SWI-PDLM框架能顯著提高沉積預測的準確性。以Flonase為例，相較於傳統接觸沉積模型，SWI-PDLM將前後部沉積預測的相對誤差從40.1%降至6.9%。這種改進主要歸功於模型對噴霧-壁面相互作用和沉積後液體運動的精確捕捉，特別是對液體"手指狀"流動模式和內凹表面液體積聚現象的模擬。
四、臨床應用與產品設計啟示
鼻噴劑性能優化方向已從單純的劑量控制轉向綜合考慮流體力學特性的系統設計。研究證實，7-17μm的液滴尺寸具有顯著的靶向優勢，能在慣性沉積與氣流輸送之間取得最佳平衡。噴頭角度與插入深度的設計準則也得到進一步明確：水平給藥(IU)方案相比傳統垂直給藥(CU)可將鼻咽部沉積效率提高兩個數量級。這種改進方案要求噴頭以較小角度（近水平）插入鼻孔，並略微朝向臉頰方向。
旋流誘導的離心力靶向技術代表了鼻腔給藥的新方向。計算研究表明，在鼻孔入口處施加旋流數Sn=0.6的中等旋流，可使藥物輸送至中鼻道口的效率提升45%以上。這種技術通過離心力作用將顆粒推向鼻腔外側壁，增加其與目標區域的接觸機會。當結合聲波藥物傳遞(ADD)技術時，旋流給藥可將上顎竇的沉積效率提高65倍以上，展現出巨大的臨床應用潛力。
五、定製化噴霧包裝滿足品牌需求
德源公司作為全球多家世界級包裝製造商的指定代理及分銷商，其醫藥級噴霧器系列憑藉精準的給藥特性和卓越的安全性設計，在業界樹立了標杆。公司代理的MK噴霧器採用醫藥級材料製造，嚴格控制噴出量、噴霧模式和粒子大小，適用於鼻腔、口腔及局部應用，並提供藥物主文件（DMF）以確保符合醫療法規要求。PFPN無防腐劑泵更運用機械密封技術取代傳統化學防腐劑，避免使用者產生不良反應，同時通過無塵室製造與伽馬輻射滅菌程序，大幅提升產品衛生標準。這些噴頭產品均在醫藥GMP潔淨環境中生產，從原材料選定到結構設計均符合國際醫藥規範，尤其鼻喉用噴霧器更針對藥品高規格需求，提供定量噴出功能與多種適配器選擇，確保霧化精度與使用可靠性。
德源提供的噴頭產品優勢更體現在多元應用與個性化服務層面。HiMark噴霧器能適應高粘性及腐蝕性產品，提供不滴漏的擠噴效果，並可搭配劑量計算器等配件強化使用安全性；Mark II噴霧器則以成熟霧化技術支援鼻腔、口腔及外用醫療需求，其市場佔有率與穩定性廣受認可。此外，公司提供從0.7ml微升級鼻噴泵至30ml大分配器的完整劑量選擇，涵蓋潔手皂液、防曬乳等日常用品至專業醫療領域。客戶可依需求選擇噴頭形態、擠出量規格，甚至定制指握把顏色與保護蓋設計，此種高度彈性不僅滿足品牌辨識度需求，更透過嚴謹的代理品管機制，確保長期使用下的效能穩定性，成為醫療與消費性產品包裝的首選合作夥伴。
六、研究限制與未來方向
當前模型的物理邊界仍存在一定限制，特別是對黏液纖毛清除的長時間尺度效應和蒸發與液膜相互作用的模擬尚不完善。這些因素在體內環境中可能對藥物滯留時間和分布產生重要影響。未來的模型開發需要整合更全面的流變學與表面化學參數，以更真實地反映鼻腔內複雜的生物流體力學環境。
跨學科整合將成為下一代鼻腔給藥系統開發的關鍵。結合計算流體力學、表面化學與個體化醫療的協同研究，有望實現真正精準的鼻腔靶向給藥。個體化鼻腔幾何的參數化分析技術的進步，將使產品設計能夠適應不同患者的解剖變異，進一步提升治療效果與患者依從性。
結語
鼻腔噴霧劑的流體力學特性與包裝材料技術的融合，為呼吸道疾病治療開闢了新途徑。從噴霧-壁面相互作用機制的深入理解到沉積後液體運動的精確模擬，計算流體力學已成為優化給藥系統不可或缺的工具。德源醫藥級噴頭產品線憑藉其精準性、安全性和適應性，在這一變革中扮演著關鍵角色。未來，隨著跨學科研究的深入和個體化醫療的發展，鼻腔給藥技術將繼續向著更高效、更精準的方向邁進。對於需要進一步技術諮詢或產品定製服務的讀者，歡迎聯繫德源的專業顧問團隊。
附錄
