遙控釋藥膠囊微點火電路的設(shè)計與仿真*

李雙雙，劉洪英，皮喜田，2，任春輝

(1.重慶大學(xué) 生物工程學(xué)院，重慶400030;2.重慶大學(xué) 新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，重慶400030)

0 引 言

遙控釋藥膠囊(remote controlled capsule，RCC)［1，2］是近年來獲取胃腸道藥物吸收特征的重要新技術(shù)之一，基于遙控釋藥膠囊的胃腸道局部藥物吸收研究對新藥開發(fā)和藥物傳輸技術(shù)具有重要的指導(dǎo)意義。目前，應(yīng)用于臨床的遙控釋藥膠囊無法完成主動完全釋藥，造成藥物吸收數(shù)據(jù)有偏差。因此，隨著微推進技術(shù)的迅猛發(fā)展［3，4］，本文提出將微推進器應(yīng)用于遙控釋藥膠囊的設(shè)計思路，實現(xiàn)遙控釋藥膠囊主動完全釋藥。由于膠囊的體積有限，容納電源的空間非常小，故要求微推進器具有高效率的電熱轉(zhuǎn)換效率，一般要求功耗在100 mW 以內(nèi)，而功耗的高低主要取決于點火電路的設(shè)計。目前所研制的點火電路，系統(tǒng)功耗高達166 mW［5，6］，主要原因是點火電路工作時有效中心區(qū)域的溫度分布不均勻，使得推進劑的燃燒不充分，熱量的散失較大，造成遙控釋藥膠囊釋藥不完全，功耗過大。

鑒此，本文提出了將應(yīng)用于微氣體傳感器中的膜式結(jié)構(gòu)［7，8］用于微點火電路，并通過 ANSYS 有限元仿真軟件對微點火電路的溫度分布進行模擬分析，為點火電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

1 微點火電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計

微點火電路的組成包括:電路層、點火電阻、導(dǎo)線及焊盤。設(shè)計時需重點考慮點火電阻器熱量的散失。減少點火電阻器熱量散失主要有兩方面:一是通過降低電路層的導(dǎo)熱性，二是通過減少點火電阻器與電路層的直接接觸?；谝陨峡紤]，本文選擇廣泛應(yīng)用于微氣體傳感器中的膜式結(jié)構(gòu)，點火電路的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。倒杯狀的結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少了點火電阻器與電路層的直接接觸，從而降低了熱量的散失。同時，電路層選用 SiO2－Si－SiO2相間的方式，因SiO2的導(dǎo)熱性差，點火電阻器與其接觸時熱量不易散失，能夠保證推進劑充分燃燒，提高了熱量的利用率，降低了功耗。點火電阻器選用金屬Cr，Cr 的耐熱性強，且儲量豐富，價格便宜。此外，為了進一步減少熱能損耗，發(fā)熱單元與電路的連接采用硅鋁鍵合絲連接。圖2 為微點火電路的正面俯視圖，中間部分為微點火電阻器，為點火電路提供熱量，使其達到一定的溫度能夠引爆推進劑，從而產(chǎn)生氣體推動膠囊釋藥，兩邊的2 個矩形為2 個管腳，用來同外圍電路連接。

圖2 微點火電阻器的正面俯視圖Fig 2 Top view of micro-ignition resistance

2 不同點火電阻器線寬和間距對點火電路的影響

點火電阻器是點火電路中最重要也是制造工藝最復(fù)雜的部分，點火電路能否正常工作主要取決于點火電阻器。不同的點火電阻器線寬和間距產(chǎn)生的溫度場分布不相同。點火電路溫度場分布的理想狀態(tài)是中間高溫部分均勻分布，有利于推進劑的充分燃燒，一般情況下，推進劑燃燒釋放氣體從而推動膠囊內(nèi)部藥物釋放所需要的溫度為300 ～400 ℃;外圍部分保持低溫狀態(tài)，是系統(tǒng)達到低功耗的必要條件。因此，本文對點火電阻器的線寬、間距進行了不同的設(shè)定，具體參數(shù)如表1 所示。分別對其產(chǎn)生的溫度分布進行了模擬和分析，其中，點火電阻器的生熱率設(shè)為2.27 ×1011W/m3，空氣的對流換熱系數(shù)為10 W/(m2·℃)，空氣溫度為37 ℃。模擬和分析結(jié)果如圖3 所示。

表1 四種點火電阻器的設(shè)計參數(shù)Tab 1 Design parameters of four kinds of ignition resistors

圖3 不同點火電阻器線寬、間距下溫度場分布曲線圖Fig 3 Temperature field distribution curve of the different ignition resistors wire width and distance

圖3 為4 種不同點火電阻器從中點到邊緣的溫度分布曲線圖。當(dāng)點火電阻器的線寬為40 μm、間距為20 μm 時，點火電路中心溫度最高，但中心有效區(qū)域的溫度分布不均勻性明顯;當(dāng)點火電阻器的線寬為30 μm、間距為15 μm 時，點火電路中心溫度有所下降，同時中心有效區(qū)域的溫度分布的不均勻有所減小;當(dāng)點火電阻器的線寬、間距分別減小到20，10 μm 時，點火電路中心溫度接近400 ℃，且中心有效區(qū)域的溫度分布比較均勻;但當(dāng)點火電阻器的線寬、間距分別減小到10，5 μm 時，點火電路的中心溫度低于300℃，不利于推進劑的點燃。綜合以上分析，當(dāng)點火電阻的線寬為20 μm、間距為10 μm 時，點火電路中心有效區(qū)域的溫度分布比較均勻，沒有較大的起伏，且點火電路的溫度高于300 ℃，滿足推進劑燃燒的條件，相對于其他3 種更有利于推進劑的充分燃燒，且功耗最低。

為進一步研究點火電阻器間距對點火電路的影響，在確定點火電阻器線寬為20 μm 的前提下，改變點火電阻器間距，分別為10，20，30 μm，以點火電阻器的中心為基點，右邊距離其80 μm 以內(nèi)的溫度分布進行模擬，模擬和分析結(jié)果如圖4 所示?？煽闯? 種不同間距的點火電阻器最高溫度均達到300 ℃，但點火電阻器的間距為10 μm 時，在有效中心區(qū)域內(nèi)溫度分布比較均勻，要明顯好于其他2 種間距的點火電阻器，更有利于推進劑的燃燒，并且當(dāng)間距為10 μm時，點火電路所能達到的最高溫度也高于其他2 種。

3 ANSYS 仿真與溫度分布

本文采用ANSYS 12.1 進行仿真。根據(jù)設(shè)計的模型特點選擇三維實體單元SOLID 90 作為仿真計算單元;定義材料屬性與有限元模型的建立，其中，點火電阻器的線寬為20 μm，點火電阻器隙為10 μm;對模型進行網(wǎng)格劃分和施加載荷，設(shè)定空氣對流換熱系數(shù)為10 W(m2·℃)空氣溫度為37 ℃，點火電阻的生熱率為2.27 ×1011W/m3;通過求解得到點火電路的溫度云圖分布。圖5 為微點火電路0.05 s 時的溫度分布云圖。

圖4 點火電阻器間距和點火電路的關(guān)系Fig 4 Relation of distance between ignition resistors and ignition circuit

圖5 微點火電路溫度場分布Fig 5 Temperature field distribution in micro-ignition circuit

通過上圖可知，整個微點火電路的最高溫度為375 ℃，主要集中在點火電阻器處，底座部分的溫度最低，大約為37 ℃。由仿真結(jié)果可知，高溫主要集中在中間部分，從而可使產(chǎn)生的熱能集中用于對推進劑的加熱，有效提高了加熱效率;在橋面和橋底部分，溫差最大，減小了點火電阻器和底座之間熱量的傳遞，20 mW 的點火功率達到了低功耗的要求。

4 結(jié) 論

本文采用氣體傳感器中的膜式結(jié)構(gòu)對遙控釋藥膠囊中的微點火電路進行了優(yōu)化設(shè)計，建立了微點火電路的模型，并通過多組對比實驗分析，確定了點火電阻器的線寬為20 μm，間距為 10 μm 時中心區(qū)域的溫度分布最為均勻，功耗最低。最終通過ANSYS 仿真分析，可知該結(jié)構(gòu)在20 mW功率下，最高溫度可達375 ℃，滿足推進劑的燃燒條件，大大降低了微點火電路的功耗，為提高遙控釋藥膠囊的整體性能奠定了基礎(chǔ)。

［1］ Wilding I R，Prior D V.Remote controlled capsules in human drug absorption(HDA)studies［J］.Critical Reviews in Therapeutic Drug Carrier Systems，2003，20(6):405 －431.

［2］ Steinke F，Andra W，Heide R，et al.Rotating magnetic macrospheres as heating mechanism for remote controlled drug release［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2007，311:216 －218.

［3］ Rossi C，DoConto T，Esteve D.Design，fabrication and modelling of MEMS－based micro－thrusters for space application［J］.Smart Materials and Structures，2001，10(6):1156 －1162.

［4］ Bardaweel H K，Anderson M J，Weiss L W，et al.Characterization and modeling of the dynamic behavior of a liquid－vapor phase change actuator［J］.Sensors and Actuators A:Physical，2009，149(2):284 －291.

［5］ Pi Xitian，Lin Yulin，Wei Kang，et al.A novel micro－fabricated thruster for drug release in remote controlled capsule［J］.Sensors and Actuators A:Physical，2010，159(2):227 － 232.

［6］ Pi Xitian，Liu Hongying，Wei Kang，et al.A novel remote controlled capsule for site－specific drug delivery in human GI tract［J］.International Journal of Pharmaceutics，2009，382(1 － 2):160 －164.

［7］ Gardner J W.Micro sensors:Principles and application ions［M］.John Wiley ＆ Sons，1994:331 － 335.

［8］ Nicolas D，Souteyrand E，Martin J R.Gas sensor characterization through both contact potential difference and photo potential measurements［J］.Sensors and Actuators B:Chemical，1997，44(1 － 3):507 － 511.