用于動(dòng)物疫苗注射的無(wú)針注射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳 凱 周 華

1.杭州電子科技大學(xué),杭州,310018 2.常州中安醫(yī)療器械有限公司,常州,213104

0 引言

利用液體噴射注射系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行藥物和疫苗注射是一種新的藥物注射方式。噴射注射用于動(dòng)物疫苗注射,可以帶來(lái)一系列的好處：①提高生物安全性,消除針刺帶來(lái)的感染,大幅降低動(dòng)物瘟疫的發(fā)生;②提高注射效率,因?yàn)閲娚渥⑸?故提高了疫苗的吸收率;③增加肉品安全性,有針注射會(huì)有針頭折斷在動(dòng)物體內(nèi)的隱患,影響肉品食用安全,噴射注射完全消除了此類(lèi)隱患;④提高注射速度,噴射注射在瞬間完成,大大縮短了規(guī)模注射的時(shí)間;⑤提高操作人員安全性,由注射過(guò)程中針刺形成的威脅及針頭處理帶來(lái)的感染隱患被徹底消除;⑥有利于環(huán)境保護(hù),針頭及其他耗材處理的成本大大降低;⑦減少動(dòng)物的創(chuàng)傷性,因?yàn)閲娚渥⑸湓谒查g完成,對(duì)皮膚的創(chuàng)傷比有針注射要小很多,動(dòng)物無(wú)驚怕反應(yīng)[1-3]。

無(wú)針注射系統(tǒng)根據(jù)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的方式可分為：以彈簧為動(dòng)力的噴射注射器、以壓縮氣體為動(dòng)力的噴射注射器,以及電磁力驅(qū)動(dòng)的噴射注射系統(tǒng)。由于動(dòng)物的種類(lèi)、形體差別很大(如牛與狗之間、成年豬與幼豬之間),疫苗的注射劑量也有很大差別,因此在設(shè)計(jì)無(wú)針注射系統(tǒng)時(shí),如何確定系統(tǒng)參數(shù),是重要的研究課題。

在無(wú)針注射系統(tǒng)的研制中,影響注射質(zhì)量的主要參數(shù)有：噴孔直徑、噴射速度、藥物注射劑量、安瓿直徑及推射力等。與這些參數(shù)相關(guān)的噴射壓力是預(yù)測(cè)噴射能否穿透皮膚的依據(jù)[4]。噴射功率是另外一個(gè)影響注射質(zhì)量的綜合參數(shù),其大小直接影響噴射注射的注射完全度(注射時(shí)進(jìn)入皮膚的藥物與注射劑量之比)[5-6]。雖然上述結(jié)論是在人體皮膚材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果上得出的,但對(duì)動(dòng)物無(wú)針注射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有指導(dǎo)意義。本文在設(shè)計(jì)可用于動(dòng)物疫苗連續(xù)注射的無(wú)針注射系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,提出可以預(yù)測(cè)噴射壓力和噴射功率的物理模型,用于在理論上指導(dǎo)系統(tǒng)參數(shù)的確定。

1 動(dòng)物無(wú)針注射系統(tǒng)的研制

圖1為自行設(shè)計(jì)的一種無(wú)針注射系統(tǒng)。該系統(tǒng)為手持式的,由直流電機(jī)及彈簧驅(qū)動(dòng)且可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)注射,包括一個(gè)帶有腔室并可以實(shí)現(xiàn)吸藥及噴射注射功能的注射筒體1、一個(gè)固定在推射器上并帶有活塞的藥庫(kù)2、一個(gè)可以通過(guò)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)間隙推射的推射器3。注射筒體包括含有腔室的殼體、殼體前端一個(gè)連接到藥庫(kù)的藥庫(kù)接頭及殼體頂端用來(lái)注射的注射頭。當(dāng)對(duì)養(yǎng)殖動(dòng)物進(jìn)行連續(xù)注射時(shí),需要實(shí)現(xiàn)從藥庫(kù)吸藥、然后從注射頭進(jìn)行噴射注射、注射完后再?gòu)乃帋?kù)吸藥的過(guò)程,因此在藥庫(kù)接頭和注射頭內(nèi)有單向閥的結(jié)構(gòu),使得從藥庫(kù)吸藥時(shí),藥庫(kù)接頭的單向閥打開(kāi),而注射頭的單向閥關(guān)閉,藥物從藥庫(kù)中流入腔室;注射時(shí),藥庫(kù)接頭的單向閥關(guān)閉,而注射頭的單向閥打開(kāi),藥物在活塞的推力作用下從注射頭前端的噴孔中噴射出去。

圖1 自制可用于動(dòng)物疫苗連續(xù)注射的無(wú)針注射系統(tǒng)

開(kāi)始注射時(shí),帶減速器的直流電機(jī)4轉(zhuǎn)動(dòng),電機(jī)的絲杠與偶合筒5的螺母配合,將偶合筒往電機(jī)方向拉動(dòng),同時(shí)壓縮主彈簧6,推桿7帶動(dòng)活塞8往后拉,這樣就將藥庫(kù)的藥液吸入腔室。在推桿往后行進(jìn)同時(shí)壓縮彈簧到最終位置時(shí),推桿與滾珠鎖合裝置(圖2)偶合部分的錐面與滾珠接觸,滾珠鎖合裝置的活動(dòng)圈受裝置內(nèi)彈簧的作用,將滾珠壓入到推桿偶合部分的凹槽中,從而將推桿鎖住。圖2是滾珠鎖合裝置的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。鎖住推桿后,電機(jī)反轉(zhuǎn),帶動(dòng)偶合筒反向前行,因?yàn)橥茥U與偶合筒之間為活動(dòng)連接,推桿不動(dòng),偶合筒一直行進(jìn)到靠近滾珠鎖合裝置停下,這樣推射器處于待推射,也就是待注射狀態(tài)。注射時(shí),控制信號(hào)使電機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn),使偶合筒繼續(xù)反向前行,并推動(dòng)滾珠鎖合裝置的推動(dòng)圈前行,并將滾珠壓入到活動(dòng)內(nèi)圈與固定內(nèi)圈內(nèi)的間隙,這樣滾珠失去對(duì)推桿椎面鎖緊作用,推桿在主彈簧的作用下快速前行,推桿前行時(shí)撞擊活塞,將液體從安瓿的噴口處噴射出去。

圖2 滾珠鎖合裝置的詳細(xì)結(jié)構(gòu)

2 噴射壓力和噴射功率的物理模型及實(shí)驗(yàn)測(cè)量

在設(shè)計(jì)無(wú)針注射系統(tǒng)時(shí),針對(duì)不同的注射情況,系統(tǒng)參數(shù)的確定非常關(guān)鍵,與之關(guān)聯(lián)的噴射壓力和噴射功率必須達(dá)到一定的閾值才能保證注射質(zhì)量。液體的噴射功率P定義為

式中,m?為單位時(shí)間的流量;v為液體在噴口處的平均速度;A0為噴口的橫截面積;ρ為液體的密度。

根據(jù)伯努利方程,液體的沖擊壓力(橫截面上平均滯止壓力)p為

Baker等[7]將彈簧驅(qū)動(dòng)的液體噴射流動(dòng)簡(jiǎn)化為準(zhǔn)平衡過(guò)程,分別對(duì)流體和活塞建立質(zhì)量守恒方程和力平衡方程?？紤]流體的壓縮性,用流體的集中彈性模量來(lái)表示壓縮性,集中彈性模量B定義如下：

式中,Δρ、ρ0分別是流體密度增量和初始密度。再沿流線采用代表能量平衡的伯努利方程,最終得到液體噴射壓力、尺寸與活塞位移、面積之間的關(guān)系[7]：

式中,t為活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)間;p(t)為液體的噴射壓力;xp(t)為活塞的位移;L為注射腔室流體的初始長(zhǎng)度;Ap為活塞的截面積。

活塞的力平衡方程為

式中,k為彈簧的剛度系數(shù);x0為彈簧復(fù)位后的壓縮量;s為沖撞間隙;Ff(t)為活塞密封圈受到的阻力;mp為活塞的質(zhì)量。

本文在分析Baker&Sanders的模型時(shí)發(fā)現(xiàn),活塞密封圈受到的阻力對(duì)噴射壓力隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)關(guān)系非常重要,而文獻(xiàn)[7]沒(méi)有對(duì)活塞密封圈受到的阻力進(jìn)行詳細(xì)分析,因而得出的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在較大的出入。密封圈的阻力分為兩部分：一部分為密封圈阻隔液體流體形成的壓力;另一部分為密封圈與筒壁間的摩擦力。詳細(xì)的力學(xué)分析見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。

式(3)和式(4)在給定系統(tǒng)參數(shù)情況下形成封閉的方程組,可以得到液體沖擊壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系,用龍格-庫(kù)塔積分法可以求解該微分方程組。該微分方程組求解時(shí)還需設(shè)定初始條件,沖撞間隙對(duì)活塞的沖擊簡(jiǎn)化處理為活塞具有一定的初速度,如果沒(méi)有沖撞間隙,則設(shè)活塞初速度為10μm/s(設(shè)定為一極小值)。其他初始條件為：活塞的初始位移為0,液體的初始?jí)毫?(相對(duì)于大氣壓)。得到液體的沖擊壓力后,根據(jù)式(1)和式(2)可以得到液體的噴射功率。

根據(jù)該模型計(jì)算得到的沖擊壓力隨時(shí)間變化的關(guān)系可以通過(guò)測(cè)量動(dòng)態(tài)沖擊力的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。圖3為測(cè)量裝置圖。液體噴射的沖擊力通過(guò)觸力傳感器得到電壓信號(hào),經(jīng)電壓放大后通過(guò)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)于電腦。沖擊壓力可以根據(jù)噴孔面積計(jì)算得到。

圖4所示為液體劑量在0.3mL時(shí)計(jì)算及實(shí)驗(yàn)得到的噴射沖擊壓力與時(shí)間的關(guān)系,其中,圖4a為注射開(kāi)始后100ms內(nèi)沖擊壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系,而圖4b為注射開(kāi)始后10ms內(nèi)沖擊壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系。計(jì)算和實(shí)驗(yàn)所用參數(shù)見(jiàn)表1,其中,D為活塞直徑。沖擊壓力在前10ms內(nèi)有寬幅的振蕩,其中最高值的沖擊壓力決定噴射流的穿刺能力。沖擊壓力在100ms后接近零。計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果較一致,驗(yàn)證了模型的正確性。

圖3 液體沖擊壓力的測(cè)試裝置

圖4 沖擊(滯止)壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系

表1 計(jì)算和實(shí)驗(yàn)所采用的參數(shù)值

3 系統(tǒng)參數(shù)確定實(shí)例分析

以小動(dòng)物疫苗注射為例,如小型狗、15kg以下小豬,其皮膚特性較接近人體。對(duì)噴孔直徑在0.1～0.5mm之間的噴射流,最大沖擊壓力在15MPa以上可以穿刺皮膚[4],平均噴射功率(前10ms內(nèi))在30W 以上時(shí),注射完全度可以超過(guò)90%[5-6]。假設(shè)疫苗的注射劑量為0.5mL,噴孔直徑為0.2mm,需要確定彈簧剛度系數(shù)及活塞(安瓿)橫截面積,使最大沖擊壓力及平均噴射功率達(dá)到以上閾值。一般最大沖擊壓力與平均噴射功率隨彈簧剛度系數(shù)增大而增大,而隨活塞面積增大而減小。圖5所示為根據(jù)模型計(jì)算得到的最大沖擊(止滯)壓力與前10ms內(nèi)平均噴射功率隨彈簧剛度系數(shù)的變化曲線,其中活塞面積固定為18mm2(對(duì)應(yīng)活塞直徑為4.8mm)。圖5中箭頭所指區(qū)域分別為達(dá)到最大沖擊壓力與平均噴射功率閾值的彈簧剛度系數(shù)區(qū)域。選定區(qū)域內(nèi)彈簧剛度系數(shù)為5.5k N/m。圖6所示為計(jì)算得到的最大沖擊(止滯)壓力與前10ms內(nèi)平均噴射功率隨活塞橫截面積的變化曲線,彈簧剛度系數(shù)固定為5.5k N/m。圖6中箭頭所指區(qū)域分別為達(dá)到最大止滯壓力與平均噴射功率閾值的活塞面積區(qū)域。從圖6可以看出活塞面積為18mm2時(shí)最大沖擊壓力與平均噴射功率均滿足閾值要求。這樣,在彈簧剛度系數(shù)為5.5kN/m、活塞面積為18mm2時(shí)可以保證最大沖擊壓力在15MPa以上,同時(shí)平均噴射功率在30W以上。

圖5 最高滯止壓力及前10ms內(nèi)平均噴射功率隨彈簧剛度系數(shù)變化曲線(活塞面積為18mm2)

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)動(dòng)物疫苗注射的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)吸藥及注射的無(wú)針注射系統(tǒng)。針對(duì)以彈簧為動(dòng)力的噴射注射的特點(diǎn),提出了一個(gè)計(jì)算動(dòng)態(tài)沖擊壓力的數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性。因?yàn)閲娚渥⑸鋾r(shí),噴射功率和滯止壓力分別要求達(dá)到一定閾值時(shí)才能保證注射質(zhì)量,以此為基礎(chǔ),對(duì)確定噴射注射關(guān)鍵參數(shù)的方法進(jìn)行了闡述,并通過(guò)實(shí)例分析給出了確定關(guān)鍵參數(shù)如彈簧剛度系數(shù)、活塞面積的計(jì)算方法和設(shè)計(jì)原則。本文所提出的方法具有一定的可行性,為動(dòng)物疫苗注射用噴射注射系統(tǒng)的研制與開(kāi)發(fā)提供了有益的參考。

圖6 最高滯止壓力及前10ms內(nèi)平均噴射功率隨活塞面積變化曲線(彈簧剛度系數(shù)為5500N/m)

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