战伤急救经皮自给药装置的研制

程祝强，刘红军，曾永芬，金 毅

（东部战区总医院疼痛科，南京 210002）

0 引言

自动化注射一直是国际上的一个研究热点。自动注射泵在临床已被广泛应用。自动注射器在民用方面主要围绕胰岛素注射笔进行研究，其动力源主要有弹簧、高压气体、电磁、激光、弹药等[1]。高压气体、电动机驱动并不适用于战场环境，相比而言机械结构则更适合特殊的战场环境。1959 年，美国研制了一种阿托品（AtroPen，ACE）自动针，该自动针是以弹簧为驱动的单腔单针注射器[2]。1974 年，美军又研制出了与ACE 自动针原理一致的大规格自动注射针，并陆续研制了MARKⅠ型和Ⅱ型自动注射针、弹簧式双腔全自动注射针[2]，这种由弹簧驱动的注射器更具有稳定性，更适于战场环境。目前，美军士兵配备的S.O.IFAK 单兵急救包就包含了一种预填吗啡的自动注射器，可在最短时间内完成止痛等急救处理，大大提高了伤员的救治效率[3-5]。我军在镇痛和重伤急救方面相对薄弱，尤其是在单兵战伤止痛和自救互救的快速给药方面还是空白，目前主要是由军队卫生员从安瓿瓶中抽取吗啡或肾上腺素进行皮下或肌肉注射，操作步骤烦琐，救治效率低下[3，6-7]。为解决上述问题，本文设计可单兵携带、预装填药液（如吗啡、肾上腺素、ACE）的战伤急救经皮自给药装置，并结合微针技术[8]，达到快速无痛给药的目的[9]。

1 经皮自给药装置设计

1.1 结构设计

本装置主要由保险装置、驱动装置、药物储存装置和微针装置4 个部分组成，如图1、2 所示。

图1 经皮自给药装置实物图

图2 经皮自给药装置结构示意图

（1）保险装置：保险装置包含注射杆和注射弹簧凹槽，可防止在跌落、震动、冲击等情况下驱动弹簧意外释放。使用时顺时针旋转保险装置顶部，打开保险，向下按压，触发驱动装置，内部弹簧释放，推动注射器推杆，当推杆与保险开关位置同圆心时，推杆受弹簧推力向下运动，完成药物注射。此设计结构简洁紧凑、强度大、安全性高。

（2）驱动装置：参考目前国内外的一些自动注射装置[3-7]，比较而言，在战场环境下，弹簧驱动装置更优于电子驱动和气压驱动，因此选择弹簧作为动力驱动。在设计和调试的过程中，通过触发驱动装置，测定推杆及储药仓在弹簧的作用下产生的动态压强变化，既要避免过快的压力输出导致的微针和装置损毁以及注射疼痛，又要保证压力平缓、持续地输出，将储药仓内的药物准确、定时、定量递送到皮下。驱动装置上端与保险装置通过卡扣连接。

（3）药物储存装置：设计可预装填0.5～2 mL 药液的储药仓，该储药仓采用高强度塑料制作，类似注射器针筒结构，由推杆和针筒形成密封结构，同时将推杆顶部做平齐处理，防止在装药和更换储药仓时出现误操作。预装填药物的储药仓不仅有利于不同药物的快速更换，还有利于节约资源。药物储存装置与驱动装置下端通过螺纹方式连接。

（4）微针装置：虽然市场上已存在胰岛素注射、疫苗接种等无针皮下注射器，但是无针注射仅适用于小剂量药物注射，难以满足战场环境的密封性要求[10]。微针阵列能较好地适应战场环境，在保证不造成针尖断裂的情况下，可满足快速皮下无痛或微痛注射的需求，同时可以显著提高药物透皮吸收效率[8，11]。微针装置由2 个部分组成，上部为分流结构，下部为微针阵列。微针阵列采用圆形排布，开口为背离轴心方向的斜面，使得注射器可以将药液输送到比刺穿的皮下面积更大的区域，并最大程度减弱对痛觉神经的刺激，避免高压喷射药液直接冲击皮下组织，而且弥散吸收的效果更好，不易发生局部积液等影响药液快速吸收的状况，利于针孔及皮下组织的恢复。微针头部尺寸较小，只有100 μm，且针尖保留足够强度，在保证刺穿性能的同时可增加横向变形抗力，降低针尖断裂滞留皮下的风险。

1.2 原理

整个装置的机械原理如下：保险装置采用错位锁扣原理，旋转至打开状态，向下按压，卡扣张开，推杆被释放，同时处于压缩状态的驱动弹簧将推杆向前推进，进一步地推进储药仓活塞，药液流入微针阵列并被注射入皮下。注射完毕后，停止按压，保险装置在其内部弹簧作用下复位至保险打开状态。同时将推杆和驱动弹簧复位至击发前状态，进一步将保险装置旋转至关闭状态。

2 使用方法

取出本装置，暴露待注射部位皮肤，如条件许可，对注射部位进行酒精消毒；拔除保护帽，顺时针旋转保险装置至不能再转动，保险打开；注射时尽量与注射部位皮肤表面垂直，使所有微针刺透皮肤，再用拇指按下顶盖，听到击打声后持续按压4～5 s，通过观察窗确认液面，完成注射；注射完毕后，垂直向上快速拔出本装置。

3 经皮自给药装置性能测试

3.1 注射器推进力计算和测试

采用1、2、5 和10 mL 4 种规格注射器（内径分别为4.52、8.6、11.5 和14.2 mm），27G、31G、34G 3 种规格针头（内径分别为0.2、0.11 和0.06 mm），以及由1～5 个31G 的开口针头组合成的5 个自制针头进行测试。测试前通过流体力学公式建立模型，计算得到理论上改变注射器规格和针头规格等变量时所需要的力的大小。根据流体力学伯努利方程ρgh=C，式中，p 为理想流体中某点压强；ρ 为流体密度；v为该点流体的流速；g为重力加速度；h为该点所在高度；C 为一个常量）和泊肃叶方程[Q=π×r4×Δp/（8ηL），式中，Δp 为微针两端的压力差；η 为液体黏度；r 为微针半径；L 为微针长度]计算所需要的力的大小，然后针对在4 s 内注射0.5 mL 液体（水）的实际受力情况，比较理论数值与注射器的实际测量数值。

3.2 抗冲击及防水性能检测

制作经皮自给药装置样品，根据GJB 150.8A—2009《军用装备实验室环境试验方法 第8 部分：淋雨试验》中的“程序Ⅰ-降雨和吹雨”和GJB 150.18A—2009《军用装备实验室环境试验方法 第18 部分：冲击试验》中的“程序Ⅲ-易损性”的军用装备要求，在苏州的苏试广博环境可靠性实验室有限公司进行装置的防水性能检测（降雨强度：1.7 mm/min；暴露面：所有面；水压：＞276 kPa；风速：18 m/s；预热温度：装置温度高于水温10 ℃；持续时间：30 min）和抗冲击性能检测（波形：后峰锯齿波；量级：40g；持续时间：11 ms；方向：三轴六向；次数：3 次/方向）。

3.3 皮肤注射测试

使用3 种不同规格的弹簧（见表1），采用经皮自给药装置在离体新鲜羊皮组织（厚度：1.578 mm）和人皮组织（厚度：1.341 mm）上注射0.5 mL 液体。为便于观察，羊皮组织测试时使用红色液体（0.1%罗丹明溶液），人皮组织测试时使用蓝色液体（0.1%台盼蓝溶液）。如能够在4 s 左右将注射液体透过皮肤进入皮下脂肪组织，则表明该规格弹簧为合适的动力装置。

表1 3 种弹簧的规格单位：mm

4 经皮自给药装置性能测试结果

4.1 注射器推进力测试结果

理论上计算的压力值用的是微针半径，而整体药物储存装置涉及注射筒，因此理论值与实际测量值的差距较大，如图3 所示。对不同规格的针头进行分析，发现34G 的针头所需施加的力较大，27G 的针头所需施加的力较小。对不同规格的注射器进行分析，发现10 mL（推进3.157 mm）和5 mL（推进4.814 mm）的注射器所需施加的力较大，1 mL 的注射器所需施加的力较小，但推进距离过长（31.5 mm），影响整个装置的设计尺寸。综合考虑注射0.5 mL 液体注射器活塞+弹簧的移动行程配合度，选用2 mL 的注射器（推进8.487 mm）和31G 的针头。自制不同开口针头数量的针头进行分析，5 个针头时所需施加的力小，且考虑到实际注射情况，5 个针头有利于防止高浓度药液在同一点聚集产生对组织的刺激，有利于药液在注射部位快速注入和扩散吸收。最终，得到最佳的注射器针头与注射器针筒大小的组合模式为2 mL 的注射器和31G 的针头，一共需5 个针头。这种组合有利于防止高浓度药液在同一点聚集产生对组织的刺激，有利于药液在注射部位快速注入和扩散吸收。

图3 推进力理论计算数值与注射泵实际测量数值比较

4.2 抗冲击及防水性能检测结果

样品装置按照试验条件要求完成了淋雨试验和冲击试验，试验过程及应力施加正确。淋雨试验后装置内部未出现进水现象，撞针能正常弹出；冲击试验后装置外观、结构完好，无零部件损坏、断裂、划痕现象，撞针处于击发前位置，保险装置完好，打开保险后，撞针能正常弹出，注射器注射功能正常，未出现问题。

4.3 皮肤注射测试结果

根据离体羊皮（如图4 所示）和人皮组织（如图5 所示）的测试结果，配备①号和②号规格弹簧的注射装置都可以有效刺透羊皮和人皮组织，并在4 s 左右将0.5 mL 液体注射到皮下脂肪，达到快速注射的预期目的。受限于装置长度，最终选择②号规格的弹簧作为装置的动力驱动。

图4 羊皮组织注射测试

图5 人皮组织注射测试

5 结语

本研究设计的经皮自给药装置的储药仓和微针阵列为预装填不同药物的一次性使用装置，具有使用方便、快捷的特点，有利于防止感染，而且保险装置和驱动装置能重复使用，可节省开支。本装置通过注射试验及第三方检测，可快速有效地完成皮下注射，且能满足战场环境的抗冲击和防水性能要求，对进一步增强官兵的战创伤救治，提供更便捷和优质的医疗支援具有重要意义。但本装置仍存在一些不足之处：在选材方面需进一步考察，选择能够适应各种战场环境的材料；在结构方面可进一步优化，提高操作的便利性。