医用雾化器研究现状与进展

高常青，车清论，任明法

（青岛理工大学 机械与汽车工程学院，山东 青岛 266520）

0 引言

全球爆发新型冠状病毒感染疫情以来，感冒、发烧等呼吸道疾病呈爆发式增长，肺气肿、慢阻肺和肺结核等基础性疾病复发率高，人们迫切需要高效的肺部给药方式。与传统的口服和静脉注射药物相比，雾化吸入药物的方式更方便、起效快、副作用小，可避免肝脏首过作用，直接将药物递送到病变区。近年来，对非传统侵入性的药物输送技术成为研究热点。

雾化形成气溶胶的粒径对治疗效果有很大的影响，当气溶胶粒径在0.5～5 µm 的范围时，药物可沉积在支气管末端；当粒径大于5 µm 时，颗粒大多沉积在上呼吸道中；如果粒径太小，也难以达到好的疗效，小于0.5µm 的颗粒容易直接被呼出，不能及时沉积在呼吸道。雾化方式的不同，对雾化粒径的影响也不同，要实现更好的治疗效果，需将雾化粒径可控化，引入智慧雾化云平台提供控制媒介，减少护理不良事件的发生。

雾化方法与雾化机理有多种，可以根据雾化特性判断是否适用于医用雾化吸入。电子流体动力雾化技术需要针对特定应用场景调整各种控制参数，该雾化技术由于需要在高压电场下工作，存在一定的安全隐患，因此目前在医用雾化领域的应用尚未成熟［1］。电子芯雾化技术目前在电子烟领域得到广泛应用，由于电子芯对雾化液体的瞬间加热会破坏蛋白质等分子活性，因此未能应用于医学领域［2］。本文依据医用雾化器雾化原理、结构等的不同将雾化器分为压缩式雾化、超声雾化、网孔式雾化3种类型，通过梳理国内外部分学者的相关文献，总结医用雾化器的发展过程及其近期研究成果。

1 压缩式医用雾化器

压缩式雾化的机理为文丘里效应，压缩式医用雾化器的工作原理如图1所示。流体通过受限流动的缩孔时，借助高速流体附近产生的低压吸附现象，在经过缩孔的瞬间流体压力急剧减小，当气流通过文氏管时，将周围吸附着的药液冲击到隔片上，药液变为细小雾滴向四周喷出，达到雾化效果。

图1 压缩式医用雾化器工作原理

2012 年，司朝润等［3］对Laval 型雾化喷嘴进行研究，通过实验阐释限制型Laval 喷嘴的导流管出口负压值与压力的关系。2018 年，吴碧君等［4］指出对压缩式雾化器检测的分析缺乏相应的国家标准和行业标准，市面上在售的压缩式雾化器技术参数和试验方法标准不统一。常见的医用压缩式雾化器没有统一规格，对其外壳的防水性能也没有具体要求，普遍存在防水性能不佳的问题［5］。2020年，YU 等［6］深入研究医用空气压缩雾化器的三维瞬态流动特性，通过求解湍流输运方程、纳维-斯托克斯方程、离散相模型（DPM）和流体体积（VOF）模型，数值模拟再现水和空气混合的瞬态雾化过程。2021 年，何浩书等［7］研究压缩式雾化器雾滴粒径的检测方法，利用粒度分析仪进行实验，发现在外界条件相同的情况下，输出流量与粒径分布和占比呈正相关。压缩雾化方式由于器具体积大、噪声大、部分液体与内壁黏附，导致药物残留多，所以不适用于雾化纳米混悬液。2022 年，彭激文等［8］在恒定温湿度环境中，通过量体积和称质量2种方法研究雾化速率和雾化药液的残留量，通过采用称质量法减少测量误差，使雾化速率检测更精确。

目前，国内医院应用的吸入雾化器大多数都是压缩式雾化器，市面所用品牌有德国的PARI、日本的OMRON、浙江的“鱼跃”等，大部分市场份额被外国品牌垄断。未来医用压缩式雾化器的研究将着重改善雾化效率，提高药物利用率和吸入效果。微型化设计是一个重要的研究趋势，将使雾化器更加轻便，适于日常生活中。新的制造材料和技术创新将提升雾化器的耐用性、安全性和可靠性；智能化和自动化控制水平的提升将为患者提供更便捷的治疗方式，并能实现远程监测和管理。

2 医用超声雾化器

压电陶瓷将电能转换成超声薄板的高频振动，高频振动使药液发生空化效应，转化成气溶胶颗粒。医用超声雾化器的研究聚焦于提高雾化效率和药物释放的稳定性方面。超声雾化器的分类有多种，主要分为变幅杆增幅型超声雾化器和压电微射流雾化器。

2.1 变幅杆增幅型超声雾化器

变幅杆雾化器的工作原理是压电基底在外接电源驱动下，产生纵向行波，该行波传播到雾化喷口，管道内的液体被激励，带有预压力的金属球发生振动而产生雾化。近年来，出现了由3 个傅里叶喇叭组成的新型雾化器，该雾化器实现了流体超声雾化的初始毛细管表面波的起始振幅，每个喷嘴由一个硅谐振器和一个由3 个傅里叶喇叭构成的压电驱动部件组成。该雾化器实验研究与仿真中建议的频率和相应表面振动速度的振幅吻合较好［9-10］。KOZUKA等［11-12］对该种喇叭形超声雾化装置进行了更深入的研究，发现喇叭的尖端直径、液面高度和温度等参数对雾化效果有影响，可在指定频率下产生共振。

目前，研究人员正研究优化变幅杆的结构、材料及驱动机制，以提高雾化效率和稳定性。一些研究致力于探索变幅杆雾化器在不同药物、不同精度要求下的应用，并对其性能进行评估。能耗、材料选择和制造工艺等方面仍需要进一步的研究和改进。

2.2 压电微射流雾化器

压电微射流雾化原理与静网孔雾化类似，物质比例存在一定的差异，喷射物质比例绝对高于气体可定义为喷射，喷射气体比例绝对高于物质则定义为雾化［13］。压电射流根据射流振子变形的方式，可分为弯曲射流、推动射流、挤压射流和剪切射流4类。

2010年，WIJSHOFF［14］对剪切式压电喷嘴进行全面的阐述，提出一种新型剪切式喷嘴，该喷嘴的储墨腔呈弯曲状。YOO 等［15］和KIM 等［16］基于MEMS 技术在硅基圆上制造高密度喷嘴，由压电驱动弯曲射流，通过数值模拟集总单元建模对射流喷头进行分析，改进射流参数的优化设计。2013 年，PARK 等［17］进一步研究推动射流装置，开发出一种小型高效微泵，利用压电陶瓷与液腔的共振和流体惯性将液体推出。2017 年，CHANG 等［18］建立一个考虑挤压式液体黏度在内的声音传播模型，并对声压响应进行研究。挤压射流喷嘴存在结构复杂、装配困难、价格昂贵等缺陷，需要进一步改进。目前，随着智能化和自动化控制技术的应用，探索不同的控制算法和检测方法是当前研究的焦点。

3 网孔式雾化器

网孔式雾化器的微孔孔径受到限制，常规的网孔式雾化器只能通过较小的颗粒，无法满足一些特定的应用需求。网孔式雾化器的雾化效果易受液体的表面张力、黏度等液体性质的影响，因此需要进行合适的液体调整。该种雾化器的研究主要在于优化网孔结构和选择材料，以及探索新的制造工艺和技术。根据网孔板的振动情况，网孔式雾化器可分为静态网孔和振动网孔2种类型。

3.1 静态网孔雾化器

静态网孔雾化器具有操作便捷和雾化效果均匀的优点，变幅杆式静态网孔雾化器的结构如图2 所示。在雾化过程中，超声波振动使液体表面产生剧烈震荡，液体分散成小颗粒。静态网孔雾化最大的缺点是易堵塞，当液体黏度较高或含有固体颗粒时，容易造成网孔堵塞，影响雾化效果。

图2 变幅杆式静态网孔雾化器［19］

HEIJ等［19］研发了一种用于吸入药物治疗的液滴发生器，该设备通过深反应离子蚀刻通过薄膜蚀刻的喷嘴，用高速视频分析驱动振幅函数与液滴喷射的相关性。PAN等［5，20］提出一种集压电致动器、微喷嘴板和微型泵腔体于一体的新型微雾化器，该雾化器可实现更理想的雾化效果。雾化液滴颗粒的尺寸分布比超声和压力雾化效果更好。美国欧姆龙（Omron）公司根据静态网孔雾化器的原理，设计出NE-U22V 型医用雾化器［21］，该雾化器的网孔板上约有6 000 个微米级的微孔，在压电换能器的高频驱动下，将药液雾化为气溶胶。随后，还出现了在压电换能器的内置液腔内采用双压电驱动高频共振的雾化方式［22］。

3.2 动态网孔雾化器

与静网孔雾化相比，动态网孔雾化造成微孔堵塞的可能性较低，因其存在动态振动，能够产生强大的剪切力，所以能最大限度地避免堵塞。动态网孔雾化器示意图如图3所示。

图3 动态网孔雾化器示意图

压电陶瓷产生的能量直接施加在微孔，能量利用率更高，动态网孔式雾化器在医学领域的应用具有广阔的前景。2010 年，SHEN［23］提出一种新型钹形高功率微致动器，其中包括环形压电陶瓷和钹形微喷嘴板，后者可将能量集中在喷嘴板的中心并感应出很大的力。HUANG 等［24］设计的环状致动器在低功耗下表现出高雾化速率和高雾化效率的优点。CAI等［25］和YAN 等［26］对压电陶瓷雾化器的动态锥角进行了研究，阐述振动网格式雾化器内部动态锥角的理论，并发现动态锥角与雾化器微锥孔体积的周期性变化有关，这种变化会影响雾化性能。同时，KUDO等［27］用宽带程粒子谱仪对超声雾化产生的雾滴进行双峰分布实验，确定了水雾粒径与频率的关系。有学者分析微锥孔内液体的流动状态，发现液体的单向流动是由扩压器和喷嘴流动阻力的差异引起，利用不同直流电压下的显微镜测量微锥孔的尺寸，进一步证明了动态锥角的存在［25，27-28］。2021 年，ESTEBAN等［29］对压电动网孔式雾化器进行机械振动分析，控制其雾化传质速率，雾化传质是由压电振动环单元控制的流体传质与动力力学的耦合作用，将理论、仿真和实验三者结果进行比较，表1是动态网状雾化器性能的总结，不同学者对不同工作状态的雾化器做了研究，从表1 中可以看出，高频雾化与低频雾化速率相差很大，工作电压对速率影响不明显，但可能会直接影响雾滴粒径。

表1 动态网孔状雾化器性能的总结

4 总结与展望

目前的医用雾化器各有优点和缺点，整体正朝着舒适、高效的方向发展。压缩式雾化器存在噪声大、药物残留多等缺点，使用该种雾化器吸入的舒适度不高；超声雾化器的雾化颗粒较大，导致其对人体下呼吸道疾病的治疗效果不佳，同时存在药液残留量大和温度升高的缺点；网孔式雾化器在很大程度上解决了噪声大、颗粒较大、药液残留量大的问题，相较于压缩式雾化器和超声雾化器，其更舒适、高效，因此网孔式雾化器的广泛应用是吸入治疗的发展趋势。为获得更好的治疗效果，应通过网孔雾化机理对雾化粒径和速率进行准确的控制。国内缺失对网式雾化器超高频声振耦合微结构的产品设计理论、试验验证数据、医用雾化智能装置的可控性方面的研究，科研和生产企业仍处于引进学习、产品仿制阶段。我国目前大部分医院还是使用最基础的压缩式雾化器，对于超高频智能网孔式雾化器的使用和普及远不及国外，因此我国研制超高频网孔式医用雾化器任重而道远。在未来的研究中，有以下几个展望。

（1）精准治疗。准确地控制雾化粒径，使更多的雾滴沉积在患病区域，并且将雾化速率和雾化时间相结合，精准控制用药量。通过技术创新，医用雾化器可以实现更精准的药物输送，例如针对不同疾病和个体制订个性化的治疗方案，提高治疗效果和患者的生活质量。

（2）药物递送系统。研究人员可以设计更智能化和高效的药物递送系统，如微型化、可穿戴式或无创的雾化器装置，更好地满足患者的需求，提高装置的便利性和舒适度。

（3）技术改进。进一步提升雾化器操作的便捷性、雾化效率和安全性，提高设备的稳定性和可靠性，降低维护成本，提高治疗效果和患者的满意度。

（4）新型治疗方法。利用新材料、纳米技术等领域的研究进展，探索新型的药物输送方式，开发出更高效和低副作用的治疗方法，为呼吸系统疾病患者提供更好的治疗选择。

综上所述，未来医用雾化器的研究将进一步关注精准治疗、药物递送系统、技术改进和新型治疗方法等方面，通过智慧雾化云平台集成云计算、物联网和人工智能技术的创新解决方案，实时监测雾化器设备、患者信息和医疗系统，通过数据分析和远程控制，为病患提供个性化的健康管理，提高医疗效果和资源利用率。医用雾化器研究的最终的目的在于提高呼吸系统疾病患者的治疗效果和生活质量。