用于动物疫苗注射的无针注射系统的设计

陈 凯 周 华

1.杭州电子科技大学,杭州,310018 2.常州中安医疗器械有限公司,常州,213104

0 引言

利用液体喷射注射系统来进行药物和疫苗注射是一种新的药物注射方式。喷射注射用于动物疫苗注射,可以带来一系列的好处：①提高生物安全性,消除针刺带来的感染,大幅降低动物瘟疫的发生;②提高注射效率,因为喷射注射,故提高了疫苗的吸收率;③增加肉品安全性,有针注射会有针头折断在动物体内的隐患,影响肉品食用安全,喷射注射完全消除了此类隐患;④提高注射速度,喷射注射在瞬间完成,大大缩短了规模注射的时间;⑤提高操作人员安全性,由注射过程中针刺形成的威胁及针头处理带来的感染隐患被彻底消除;⑥有利于环境保护,针头及其他耗材处理的成本大大降低;⑦减少动物的创伤性,因为喷射注射在瞬间完成,对皮肤的创伤比有针注射要小很多,动物无惊怕反应[1-3]。

无针注射系统根据动力驱动的方式可分为：以弹簧为动力的喷射注射器、以压缩气体为动力的喷射注射器,以及电磁力驱动的喷射注射系统。由于动物的种类、形体差别很大(如牛与狗之间、成年猪与幼猪之间),疫苗的注射剂量也有很大差别,因此在设计无针注射系统时,如何确定系统参数,是重要的研究课题。

在无针注射系统的研制中,影响注射质量的主要参数有：喷孔直径、喷射速度、药物注射剂量、安瓿直径及推射力等。与这些参数相关的喷射压力是预测喷射能否穿透皮肤的依据[4]。喷射功率是另外一个影响注射质量的综合参数,其大小直接影响喷射注射的注射完全度(注射时进入皮肤的药物与注射剂量之比)[5-6]。虽然上述结论是在人体皮肤材料的实验结果上得出的,但对动物无针注射系统的设计也有指导意义。本文在设计可用于动物疫苗连续注射的无针注射系统的基础上,提出可以预测喷射压力和喷射功率的物理模型,用于在理论上指导系统参数的确定。

1 动物无针注射系统的研制

图1为自行设计的一种无针注射系统。该系统为手持式的,由直流电机及弹簧驱动且可以实现连续注射,包括一个带有腔室并可以实现吸药及喷射注射功能的注射筒体1、一个固定在推射器上并带有活塞的药库2、一个可以通过开关实现间隙推射的推射器3。注射筒体包括含有腔室的壳体、壳体前端一个连接到药库的药库接头及壳体顶端用来注射的注射头。当对养殖动物进行连续注射时,需要实现从药库吸药、然后从注射头进行喷射注射、注射完后再从药库吸药的过程,因此在药库接头和注射头内有单向阀的结构,使得从药库吸药时,药库接头的单向阀打开,而注射头的单向阀关闭,药物从药库中流入腔室;注射时,药库接头的单向阀关闭,而注射头的单向阀打开,药物在活塞的推力作用下从注射头前端的喷孔中喷射出去。

图1 自制可用于动物疫苗连续注射的无针注射系统

开始注射时,带减速器的直流电机4转动,电机的丝杠与偶合筒5的螺母配合,将偶合筒往电机方向拉动,同时压缩主弹簧6,推杆7带动活塞8往后拉,这样就将药库的药液吸入腔室。在推杆往后行进同时压缩弹簧到最终位置时,推杆与滚珠锁合装置(图2)偶合部分的锥面与滚珠接触,滚珠锁合装置的活动圈受装置内弹簧的作用,将滚珠压入到推杆偶合部分的凹槽中,从而将推杆锁住。图2是滚珠锁合装置的详细结构。锁住推杆后,电机反转,带动偶合筒反向前行,因为推杆与偶合筒之间为活动连接,推杆不动,偶合筒一直行进到靠近滚珠锁合装置停下,这样推射器处于待推射,也就是待注射状态。注射时,控制信号使电机继续反转,使偶合筒继续反向前行,并推动滚珠锁合装置的推动圈前行,并将滚珠压入到活动内圈与固定内圈内的间隙,这样滚珠失去对推杆椎面锁紧作用,推杆在主弹簧的作用下快速前行,推杆前行时撞击活塞,将液体从安瓿的喷口处喷射出去。

图2 滚珠锁合装置的详细结构

2 喷射压力和喷射功率的物理模型及实验测量

在设计无针注射系统时,针对不同的注射情况,系统参数的确定非常关键,与之关联的喷射压力和喷射功率必须达到一定的阈值才能保证注射质量。液体的喷射功率P定义为

式中,m◦为单位时间的流量;v为液体在喷口处的平均速度;A0为喷口的横截面积;ρ为液体的密度。

根据伯努利方程,液体的冲击压力(横截面上平均滞止压力)p为

Baker等[7]将弹簧驱动的液体喷射流动简化为准平衡过程,分别对流体和活塞建立质量守恒方程和力平衡方程。考虑流体的压缩性,用流体的集中弹性模量来表示压缩性,集中弹性模量B定义如下：

式中,Δρ、ρ0分别是流体密度增量和初始密度。再沿流线采用代表能量平衡的伯努利方程,最终得到液体喷射压力、尺寸与活塞位移、面积之间的关系[7]：

式中,t为活塞运动时间;p(t)为液体的喷射压力;xp(t)为活塞的位移;L为注射腔室流体的初始长度;Ap为活塞的截面积。

活塞的力平衡方程为

式中,k为弹簧的刚度系数;x0为弹簧复位后的压缩量;s为冲撞间隙;Ff(t)为活塞密封圈受到的阻力;mp为活塞的质量。

本文在分析Baker&Sanders的模型时发现,活塞密封圈受到的阻力对喷射压力随时间的动态关系非常重要,而文献[7]没有对活塞密封圈受到的阻力进行详细分析,因而得出的计算结果与实际情况存在较大的出入。密封圈的阻力分为两部分：一部分为密封圈阻隔液体流体形成的压力;另一部分为密封圈与筒壁间的摩擦力。详细的力学分析见文献[8]。

式(3)和式(4)在给定系统参数情况下形成封闭的方程组,可以得到液体冲击压力随时间的变化关系,用龙格-库塔积分法可以求解该微分方程组。该微分方程组求解时还需设定初始条件,冲撞间隙对活塞的冲击简化处理为活塞具有一定的初速度,如果没有冲撞间隙,则设活塞初速度为10μm/s(设定为一极小值)。其他初始条件为：活塞的初始位移为0,液体的初始压力为0(相对于大气压)。得到液体的冲击压力后,根据式(1)和式(2)可以得到液体的喷射功率。

根据该模型计算得到的冲击压力随时间变化的关系可以通过测量动态冲击力的实验进行验证。图3为测量装置图。液体喷射的冲击力通过触力传感器得到电压信号,经电压放大后通过数据采集存储于电脑。冲击压力可以根据喷孔面积计算得到。

图4所示为液体剂量在0.3mL时计算及实验得到的喷射冲击压力与时间的关系,其中,图4a为注射开始后100ms内冲击压力随时间的变化关系,而图4b为注射开始后10ms内冲击压力随时间的变化关系。计算和实验所用参数见表1,其中,D为活塞直径。冲击压力在前10ms内有宽幅的振荡,其中最高值的冲击压力决定喷射流的穿刺能力。冲击压力在100ms后接近零。计算结果和实验结果较一致,验证了模型的正确性。

图3 液体冲击压力的测试装置

图4 冲击(滞止)压力随时间的变化关系

表1 计算和实验所采用的参数值

3 系统参数确定实例分析

以小动物疫苗注射为例,如小型狗、15kg以下小猪,其皮肤特性较接近人体。对喷孔直径在0.1～0.5mm之间的喷射流,最大冲击压力在15MPa以上可以穿刺皮肤[4],平均喷射功率(前10ms内)在30W 以上时,注射完全度可以超过90%[5-6]。假设疫苗的注射剂量为0.5mL,喷孔直径为0.2mm,需要确定弹簧刚度系数及活塞(安瓿)横截面积,使最大冲击压力及平均喷射功率达到以上阈值。一般最大冲击压力与平均喷射功率随弹簧刚度系数增大而增大,而随活塞面积增大而减小。图5所示为根据模型计算得到的最大冲击(止滞)压力与前10ms内平均喷射功率随弹簧刚度系数的变化曲线,其中活塞面积固定为18mm2(对应活塞直径为4.8mm)。图5中箭头所指区域分别为达到最大冲击压力与平均喷射功率阈值的弹簧刚度系数区域。选定区域内弹簧刚度系数为5.5k N/m。图6所示为计算得到的最大冲击(止滞)压力与前10ms内平均喷射功率随活塞横截面积的变化曲线,弹簧刚度系数固定为5.5k N/m。图6中箭头所指区域分别为达到最大止滞压力与平均喷射功率阈值的活塞面积区域。从图6可以看出活塞面积为18mm2时最大冲击压力与平均喷射功率均满足阈值要求。这样,在弹簧刚度系数为5.5kN/m、活塞面积为18mm2时可以保证最大冲击压力在15MPa以上,同时平均喷射功率在30W以上。

图5 最高滞止压力及前10ms内平均喷射功率随弹簧刚度系数变化曲线(活塞面积为18mm2)

4 结束语

针对动物疫苗注射的特点,设计了一种可以实现连续吸药及注射的无针注射系统。针对以弹簧为动力的喷射注射的特点,提出了一个计算动态冲击压力的数学模型,并通过实验测量验证了数学模型的正确性。因为喷射注射时,喷射功率和滞止压力分别要求达到一定阈值时才能保证注射质量,以此为基础,对确定喷射注射关键参数的方法进行了阐述,并通过实例分析给出了确定关键参数如弹簧刚度系数、活塞面积的计算方法和设计原则。本文所提出的方法具有一定的可行性,为动物疫苗注射用喷射注射系统的研制与开发提供了有益的参考。

图6 最高滞止压力及前10ms内平均喷射功率随活塞面积变化曲线(弹簧刚度系数为5500N/m)

[1] Willson P.Novel Vaccine Delivery Technology[J].Advances in Pork Production,2005,16：219-224.

[2] Chase C C L,Daniels C S,Garcia R,et al.Needlefree Injection Technology in Swine：Progress Toward Vaccine Efficacy and Pork Quality[J].J.Swine Health Production,2008,16(5)：254-261.

[3] Houser T A,Sebranek JG,Thacker B J,et al.Effectiveness of Transdermal,Needle-f ree Injections for Reducing Pork Carcass Defects[J].J.Meat Science,2004,68：329-332.

[4] Shergold O A,Fleck N A,King T S.The Penetration of a Soft Solid by a Liquid Jet,with Application to the Administration of a Needle-free Injection[J].Journal of Biomechanics,2006,39：2593-2602.

[5] Mitragotri S.Current Status and Future Prospects of Needle-free Liquid Jet Injectors[J].Nature Reviews,Drug Discovery,2006,5：543-548.

[6] Schramm-Baxter J,Mitragotri S.Needle-free Jet Injections：Dependence of Jet Penetration and Dispersion in the Skin on Jet Power[J].Journal of Control Release,2004,97：527-535.

[7] Baker A B,Sanders J E.Fluid Mechanics Analysis of a Spring-loaded Jet Injector[J].IEEE Trans.Biomed Eng.,1999,46(2)：235-242.

[8] 陈凯,周华.弹簧式液体喷射注射系统的喷射模型及实验研究[J].中国生物医学工程学报,2010,29(1)：140-144.