一种兽医无针注射器注射参数的测量

张晶声，金闻名，张旭，李娉

(中国兽医药品监察所,北京100125)

一种兽医无针注射器注射参数的测量

张晶声，金闻名，张旭，李娉

(中国兽医药品监察所,北京100125)

与带针头兽医注射器相比，兽医无针注射器具有药液吸收效果好、防止交叉感染、防止针头断裂、提高肉品质量、减少动物保定、提高注射效率等优点。为了给兽医无针注射器的优化设计提供参考，以某兽医无针注射器作为样品，对其注射剂量、喷孔孔径和喷射冲击力进行测量，对测量方法和测量结果进行分析讨论。结果显示，在喷孔直径为0.3037 mm时，兽医无针注射器刺穿动物皮肤所需的喷射压力最小值为28 MPa，可作为兽医无针注射器成功注射刺穿动物皮肤所需喷射压力的门槛值。

注射参数；喷射冲击力；喷射压力

无针注射又称射流注射，是通过能量喷发系统使液体药物通过一个极细的注射孔后，产生一个液体柱，穿透皮肤喷射到皮肤内组织。兽医无针注射器是在活塞注射器的基础上，增加驱动装置，瞬时爆发推动活塞，将药液从微型喷孔高速喷出，穿透皮肤形成超微细射流，实现皮下或肌肉注射。再增加吸药装置，可完成自动吸药，实现连续注射[1]。药液到体内的过程包含两步[2]：第一步是高速射流刺穿皮肤、脂肪和肌肉组织，形成裂纹，喷射完毕后裂纹闭合；第二步是药液在目标组织中以相对低的速度进行扩散。像用传统带针头注射器注射时皮肤的开合机理一样，刺穿皮肤所需的喷射压力是无针注射器成功工作的关键所在。研究表明，对于喷孔直径在0.1～0.5 mm内的喷射射流，刺穿人体皮肤的喷射压力是15 MPa[3]。而对于动物体的喷射压力门槛值，至今尚无参考值。

目前，国内有多家高校进行无针注射系统的设计开发，在驱动原理、喷射特性和注射效果方面进行了理论和实证方法研究[4-5]。国内多家企业也展开了兽医无针注射器的研制，但产品使用效果尚没有达到要求，主要原因在于产品的喷射压力峰值达不到基本的阈值[6-7]。本文以某进口兽医无针注射器作为样品，对其进行了注射剂量、喷孔孔径和喷射冲击力测量，计算喷射压力，以期对新型无针注射器的设计开发有启发作用。

1 检测方法

1.1 注射剂量 本次测量采用的兽医无针注射器配备粉、绿、蓝、红四种动力棒。对于每种动力棒，以纯净水为注射液，在标称0.2 mL、0.5 mL、1.0 mL、1.5 mL和2.0 mL剂量下，分别注射10次，用BP3100S电子天平(最大量程3100 g，分辨率0.01 g，检定结果准予作为II级天平使用)称重，取平均值为测量剂量。

1.2 喷射压力

1.2.1 喷孔孔径 将兽医无针注射器前段注射孔拆下，在VISIO 500型影像测量仪上(分辨率为0.1 um)测量喷射孔径，三次测量取平均值。此孔径值将作为喷射压力计算的输入项。

1.2.2 冲击力测量 本文采用的试验方案模拟真

实注射情形，见图1。以刚性传感器受力面作为喷射平面，将兽医无针注射器的喷射水流直接打在力传感器的螺杆端面上，测量冲击力。传感器输出信号为0～5 V的电压信号，通过数据采集卡，将力值实时数据传送到电脑中，实现力值信号的波形显示、数据存储等功能。

图1 冲击力测量试验方案

考虑到兽医无针注射器喷射水流速度较快，选用了固有频率大于40 kHz的压力传感器，传感器型号为PPM-LS05，灵敏度0.97 mV/N。为避免因环境引起的共模干扰，采用差分接线方式接入数据采集卡NI USB6361(16位分辨率)。基于美国NI公司LabVIEW软件平台，根据测试需求设计开发冲击力数据采集程序，对兽医无针注射器喷射水流冲击力值进行采集。因采样率较高(10 kHz)，数据量很大，采用NI DIAdem进行数据存储分析。对粉、绿、蓝、红棒，分别测量注射剂量为0.2 mL、0.5 mL、1.0 mL、2.0 mL和2.5 mL时的冲击力。

2 测量结果

2.1 注射剂量 测量结果见表1。可以看出，大部分误差为正值，应该是考虑到注射完全度即注射进动物体内药液与额定药液的比例的影响；剂量越大误差越小；根据动力棒由粉色、绿色、蓝色、红色动力增加，误差有减小的趋势。

表1 剂量测量结果

续表1

2.2 喷孔直径 3次测定结果分别为0.3038、0.3037、0.3036。孔径平均值0.3037 mm将作为喷射压力计算的输入项。

2.3 喷射冲击力 不同注射剂量的冲击力测量结果见表2，冲击力随时间变化曲线见图2(以粉棒1.5 mL为例)。

表2 不同注射剂量的冲击力测量结果 N

表2数据显示，相同剂量时，喷射冲击力按照粉、绿、蓝、红棒顺序增大。但不同剂量同一压力棒时喷射冲击力值规律不明显。

图2 冲击力随时间变化曲线

图2显示，执行喷射操作后，系统测量到瞬时上升的峰值冲击力，这是动力棒活塞杆撞击注射活塞时动量转换的直接反映，药液凭借此力穿透皮肤；此后力值平稳，显示药液的扩散；最后力值降为0，完成注射过程。整个过程约200 ms。冲击力随时间变化曲线与文献[2]中喷射压力随时间变化情况相近。

2.4 喷射压力 通过冲击力值与喷孔孔径，按公式(1)计算喷射压力，结果见表3。

(1)

式中P为喷射压力，F为冲击力，A为喷孔的横截面面积。

表3 不同注射剂量的喷射压力计算结果 MPa

表3显示，喷射压力具有与喷射冲击力相同的变化趋势，并且在喷孔直径为0.3037 mm时，兽医无针注射器的喷射压力最小值约为28 MPa。

3 讨论和结论

3.1 注射剂量 本试验采用纯净水通过称重法进行注射剂量测量，与现行兽医注射器测量注射剂量的标准方法相同。

3.2 喷射冲击力 本试验采用的喷射冲击力测量方法，原理与剑桥大学学者提出的测量无针注射器喷射冲击力的方法[2]相同，现在业界广泛采用[3,8]，即不考虑喷射皮肤的差异性，将被喷射体设置为刚性体，测量喷射冲击力。上述文献中直接给出了喷射压力图。

3.3 喷射动力 喷射动力直接决定了喷射结果，本测量采用的兽医无针注射器采取气弹簧[9]形式的氮气动力棒[10]为动力源，具有压力稳定、结构紧凑、易于携带使用的优点。理论上，无针注射驱动方式还可以采用电磁驱动[11-12]甚至激光驱动[13]。兽医无针注射器的优化设计应探索使用各种驱动方式的可能性。

3.4 喷射压力 Oliver A Shergold等[2]对Intraject医用无针注射器进行喷射压力测量，得出喷孔直径在300 μm、喷射剂量为0.5 mL时喷射压力为35 MPa; 对人体志愿者和B452硅橡胶进行注射试验，得出喷孔直径0.34 MPa时刺穿人体皮肤约需喷射压力14 MPa，刺穿硅橡胶约需喷射压力34 MPa。这些值两倍于同样直径的带针头注射器刺穿皮肤所需的压力。并且刺穿人体皮肤所需喷射压力随着喷孔直径的增大而下降。周华等[3]对自制弹簧无针注射器进行喷射压力测量，得出喷射压力随注射剂量由0.1～0.3 mL变化时喷射压力呈递减趋势；在一定的喷射距离(5 mm)内，喷射压力不随喷射距离改变而改变。马兴江等[8]对自制弹簧动力的无针注射器进行冲击力测量，得出喷射压力最大值为32 MPa，并未给出喷孔直径和喷射剂量；用自制的无针注射器对杜洛克猪做透皮注射试验，直观地得出了射流在皮下及肌肉中的深度和扩散形态。

本试验中采用的兽医无针注射器是在加拿大被广泛使用，性能成熟，标配粉、绿、蓝、红、黄五色动力棒，从测量结果看，动力依次增强，与产品使用说明一致，进一步验证了本试验测量方法的可行性。粉色适用于一到七天猪仔、绿色适用于两周小猪、蓝色适用于30 kg以内中猪、红色棒适用于30 kg以上大猪。对于兽医无针注射器产品设计，若能达到同样的喷射压力，可期望能达到相应的注射效果。因此，根据本测量结果，在喷孔直径为0.3037 mm时，兽医无针注射器的喷射压力应不低于28 MPa才能满足注射要求。

[1] 张晶声，张旭，李娉，等.兽医无针注射器研究进展[J]. 中国兽药杂志,2013,47(3):67-69.

[2] Oliver A Shergold, Norman A Fleck, Toby S King. 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.

[3] 周华，陈凯，吕永桂. 一种液体喷射注射系统的设计与检测[J]. 机械设计与研究，2009,25(2):116-120.

[4] 肖毅.影响无针注射性能若干因素研究[D].华中科技大学硕士论文,2012.

[5] 赵丽娜.无针注射技术研究[D].浙江大学硕士论文,2012.

[6] 王孝军,于彤，张广文，等.兽用无针注射器:中国，CN101428159A[P].

[7] 冷家波. 一种无针注射器:中国，CN202459643U[P].

[8] 马兴江，陈凯，吕永桂. 规模养猪场无针疫苗注射的系统设计与检测[J].中国畜牧兽医文摘，2012,28 (1):166-169.

[9] 张英会，刘辉航，王德成，等. 弹簧手册(第2版)[M]. 北京：机械工业出版社,2008:633.

[10]沃伦·L·托尔斯，凯文·托尔斯，朱尔斯·波伊罗恩.无针注射器: 中国，CN200580047288.7[P].

[11]王军喜.电磁式无针自动注射器：中国，CN 201375732Y[P].

[12]陈凯.电磁力驱动的连续无针注射系统：中国，CN 101690834B[P].

[13]黄晶，赵纯亮，陈洪，等.激光驱动无针注射装置：中国，CN 201453778U[P].

(编辑：李文平)

Injection Parameter Measure on a Kind of Needle-free Injector for Veterinary Use

ZHANG Jing-sheng, JIN Wen-ming, ZHANG Xu, LI Ping

(ChinaInstituteofVeterinaryDrugControl,Beijing100125,China)

Comparing with injection syringe for veterinary use, the needle-free injector for veterinary use has such advantages as better soup absorbing effect, preventing cross infection, avoiding needle breakage, enhancing meat quality, reducing fixation of animal and improving injection efficiency. In order to be suggestive to optimization design of needle-free injector for veterinary use,the dosage, orifice diameter and injection force of a kind of needle-free injector for veterinary use were measured, the injection pressure were calculated therefor.The test methods were discussed and the results were analyzed.The minimum required injection pressure 28 MPa corresponding to orifice diameter 0.3037mm was given. It can be used as the threshold injection pressure to successfully pierce into the livestock skin by needle-less injector for veterinary use.

injection parameter；injection force; injection pressure

张晶声，工学硕士，副研究员，从事兽医器械质量监测工作。E-mail:zhangjingsheng@ivdc.org.cn

2015-11-14

A

1002-1280 (2016) 01-0061-05

S851.66