规模养猪场无针疫苗注射的系统设计与检测

马兴江 陈 凯 吕永桂

（杭州电子科技大学机械工程学院，杭州 310018）

1 背景介绍

无针注射器又称喷射注射（Needle-free Injection或Needleless Injection）。基本原理是通过动力装置（如压缩气体、弹簧和电磁力等），使得药液通过一个微小的孔洞加速到高速状态，通过物理撕裂的方式透过皮肤，将药液输送到皮下组织或肌肉组织。

1947年，无针注射作为一种取代传统有针注射的新型药物输送方式第1次被文献所记载[1]。无针注射技术较多的应用于胰岛素、干扰素、麻醉剂等药物的注射。而将无针注射技术应用于猪疫苗注射，国外已研发出了较为成熟的产品并且推向了市场，如加拿大AcuShot、MIT公司，美国的Pulse Needlefree System公司生产的无针注射器等。近年来，随着无针注射技术的日趋成熟，对于无针注射用于动物疫苗接种领域的研究越来越多，主要集中于注射安全及注射效能的评价等方面。Terry A. Houser等通过实验研究发现，无针注射用于猪疫苗接种是安全有效的，并且能够减少注射点皮肤的脓疮、发炎等病症[2].Gary F. Jones&Vicki Rapp-Gabrielson等人通过注射猪肺炎支原体疫苗实验表明，利用无针注射器接种后，支气管肺泡灌洗液中的免疫球蛋白（IgA&IgG）滴定溶度要高于利用针刺注射所获得的数值[3]。通常成规模的猪场，每隔一段时间都要进行1次集中免疫，例如接种猪瘟、伪狂犬、乙脑等疫苗。1头育成猪（196日龄）需要大约15次疫苗接种，而种猪1生的接种次数更多。在集中免疫过程中，有针注射带来的接种操作繁琐、环境污染、容易感染等问题就尤为突出。利用无针注射进行常规疫苗的接种能很好的解决以下问题：（1）因有针注射引起的动物疾病的交叉；（2）注射速度慢；（3）减小针刺注射带来的应激反应；（4）消除断针残留体内的隐患等[4]。

2 喷射压强测试系统的设计与实验

影响射流能否穿透动物皮肤的参数有射流速度、射流作用于皮肤上的面积、皮肤特性等。如果不考虑射流进入皮肤后的作用过程，最大喷射滞止压强是衡量射流能否穿透皮肤的重要依据。文献[4-5]描述，，对直径在0.1～0.5 mm 内的喷射射流，15 MPa的压强足以刺穿人体皮肤。但由于猪的皮肤特性因种类以及年龄的不同而相差较大，故而目前针对能够穿透猪皮肤的最大喷射滞止压强并没有形成一个较为统一的标准。

2.1 喷射压强测试装置的设计

图1为利用弹簧作用动力的无针注射器的一般结构，Sander和Baker与1999年第1次建立了此种类型无针注射器的数学模型并据此分析得出了弹簧刚度系数、微孔直径等相关设计参数对射流特性的影响[4]。

图1 利用弹簧作为装载力的无针注射器的一般结构及相关参量简图

但是，Baker等的数学模型并没有将撞击杆与活塞杆的初始冲撞间隙考虑在内。实际上，对于相同刚度系数的弹簧，在一定范围内增加冲撞间隙将提高最大喷射压强[7]。本文依据图1所示的结构，设计了一种喷射测试装置（如图2）。此装置可以更换不同刚度系数的弹簧，以及调整不同的冲撞间隙，从而得出较为合理的设计参数，为下文所述的无针注射器的整体设计提供依据。喷射测试装置包括：（1）可垂直向下弹射的撞击杆件；（2）可通过螺纹螺杆传动向下压缩弹簧的压块；（3）末端设有单向阀的储药安瓿（包含受撞击活塞杆）；（4）可旋转释放弹簧弹性势能的开关。

初始位置时，可旋转开关与方形槽成一定角度以阻止撞击杆件向下运动，此时通过旋转螺母带动压块向下运动以压缩弹簧。当弹簧压缩完毕后，旋转开关使其与方形槽平行，此时弹簧即被释放并带动冲击杆件向下撞击活塞杆，药液通过安瓿前段的微孔流出，完成喷射。冲击杆件上端通过螺纹与旋转开关连接，通过它可以调整冲击杆件下端与活塞杆的距离，从而改变冲撞间隙的大小。

实验选用日本标准模具弹簧。弹簧材料为60SiCrA，弹簧寿命30万次以上，如果按每年注射5万次计算可以使用6年，满足兽用无针注射器产品设计要求。冲撞间隙分别选择为0 mm、3 mm、5 mm以及7 mm。

表1 实验所选用弹簧的基本参数

图2 一种喷射压强测试装置

2.2 实验设备与方法

实验所选用的主要设备：压力传感器（型号：FSG15N1A，制造商：Honeywell International Inc）、差模放大器（型号：NA101，制造商：BB（中国）有限公司）、数据采集卡（型号：PCI-1711L，制造商：研华科技股份有限公司）。所搭建实验平台的性能参数为：压力传感器的额定输入电压为12 VDC，灵敏度为24 mv/gram。放大器的采样频率为5 000Hz，采样点为10 000，放大倍数为40。

图3（A）为喷射压强测试平台的示意图。首先将上文设计的测试装置通过铁夹固定在支架上，压力传感器固定在支架的底部的平台上。并使得测试装置的轴线与压力传感器的受力端面垂直。将压力传感器的输入端接入12V直流电源，输出端接入电压放大器的输入端，电压放大器的输出端接入数据采集卡的输入端，最终电脑采集数字信号，通过Matlab软件绘制出射流喷射的平均压强与时间的关系曲线。

图3 喷射压强测试试验台

喷射滞止压强是衡量射流能否穿透皮肤的一个重要参数[8]，平均压强是受到射流冲击的平面上所有滞止点某一时刻的滞止压力的平均值。

图4所示的1号弹簧（7.3 m mN/ ）不同冲撞间隙（sh）的情况下，平均压强与时间的关系。可以明显的看出当冲撞间隙为0 mm时最大滞止压强为14.5 Mpa，当冲撞间隙为7 mm时最大滞止压强为32 Mpa，所获得平均压强峰值提高了1倍。

图4 1号弹簧在不同冲撞间隙的情况下，平均压强与时间的关系

从图5可以看出，当不存在冲撞间隙时，所获得的最大滞止压强随着弹簧刚度系数的增加变化幅度较小，当冲撞间隙分别置于3mm、5mm、7mm时所获得的最大滞止压强变化值较大。而对于单个弹簧来说，随着冲撞间隙的持续增大，最大滞止压强变化并不是一直增大，而是趋向于平缓。如果继续增大冲撞间隙，特别是当冲撞间隙sh大于弹簧的压缩量时，弹簧还未撞击活塞杆即处于减速过程，此时的最大滞止压强反而会减小。

图5 最大滞止压强与冲撞间隙的关系

3 一种分体式无针注射器的设计

猪场的免疫注射一般集中进行，每次注射的次数根据猪场的规模不同从数百次到数千次不等，工作任务繁重，这就要求无针注射器的重量不能太大。但由于动物的体型较大，皮肤较厚，所需要射流的最大滞止压强比较高。这样，需要的动力装载装置的尺寸与重量就会增大。因此，本文将动力装载装置与注射装置分开设计，动力装载装置可以背在操作人员的背部。这样不仅大大减小手持注射装置的重量，还可以增加蓄电池电量，延长一次充电后的工作时间。

基于以上分析，本文提供了一种分体式的无针注射器方案（图6），冲撞间隙固定为7 mm。该系统有直流电机和弹簧提供动力，可以实现快速连续注射。（1）包括一个可以储存药液的容器；（2）一个可以压缩弹簧并且可以瞬间释放其势能的弹射装置；（3）一个可以吸入药瓶中的药液并将其加速的注射筒体（安瓿）；（4）一个通过软管连接安瓿并且带有喷孔的注射枪。当需要对养殖动物进行注射时，直流电机与滚珠丝杆传动机构使得弹簧压缩，同时带动活塞杆向后运动，此时容器中的药液被吸入安瓿，当弹簧被释放时，撞击杆冲撞活塞杆快速向左运动，使得安瓿中的药液以高流速通过软管到达喷射枪并从其前段的微孔喷出，完成一次注射。安瓿的的头部分别设有两个单向阀门，保证了药液的单向流动。

图6 自制分体式无针注射器系统简图

4 实践应用

实验选用杜洛克猪作用透皮实验对象，用结晶紫为指示染料，检测自制无针注射器用于猪颈部肌肉注射免疫时的注射效果。选用10日龄、20日龄、35日龄、60日龄仔猪各一头，注射完成后剖杀动物，解剖注射部位下层组织，观察皮肤层、肌肉层等的注射情况。

表2 实验中自制无针注射器的主要参数

图7自制无针注射器对不同日龄杜洛克猪颈部的注射效果

该实验结果表明，自制无针注射器已经能够对二个月内的杜洛克猪进行注射。注射深度完全能够到达肌肉层，并且染色剂的扩散面积较大。并且利用无针注射系统进行皮下注射能够提高溶做媒分子的吸收效率[9]。

5 结论

本文设计一种喷射压力测试装置，通过调整冲撞间隙，对不同标准弹簧进行测试，量化了平均压强与冲撞间隙之间的关系，为无针注射器的设计提高数据参考。

本文设计了一种分体式无针注射器，将弹簧装载机构、弹射机构以及控制电路电路等于手持式的喷射枪分开设计。这样解决了一体式无针注射器手持部分比较沉重的弊端，并且可以通过更换不同型号的弹簧，以适应不同动物的注射要求。

本文通过杜洛克猪透皮喷射实验，直观的得到了射流在皮下及肌肉组织中深度以及扩散形态。得出了无针注射技术在养殖动物注射领域的可行性。

[1]Hemond，Brian.A Lorentz-force Actuated Controllable Needle-free Drug Delivery System[J].Massachusetts Institute of Technology.Cambridge，Massachusetts，February 2006

[2]Terry A. Houser，Joseph G. Sebranek，Effectiveness of transdermal，needle-free injections for reducing pork carcass defects[J]. Meat Science 2004（68）：329-332

[3]Jones GF，Rapp-Gabrielson V，Wilke R.”Intradermal vaccination for Mycoplasma hyopneumoniae”.Swine Health Prod[J]. 2005；13（1）：19-27.

[4]Sehramm-Baxter J，Katrencik 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.

[5]Shergold OA，Fleck NA，King TS．The penetration of a soft solid by a liquid jet with application to the administration of a needle-free injection[J]．Journal of Biomeehanics，2006，39（14）：2593-2602

[6]Aaron B.Baker and Joan E.Sander. Fluid Mechanics Analysis of a Spring-Loaded Jet Injector. IEEE Transaction on Biomedical Engineering[J]，v24，n2，Feb.1999

[7]周华，陈凯，吕永桂.一种液体喷射注射系统的设计与检测.机械设计与研究[J]，2009，25（2）：1006-2343.

[8]Joris Schroeder. Energy Consump tion and Power Requirements of Elevators[J]. ElevatorWorld，1986，34（3）：28-29

[9]陈凯，杨锋雷.基于音圈直线驱动的无针注射技术[J].机械工程学报，2010，4（9）：151-156