規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)無(wú)針疫苗注射的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與檢測(cè)

馬興江 陳 凱 呂永桂

（杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310018）

1 背景介紹

無(wú)針注射器又稱(chēng)噴射注射（Needle-free Injection或Needleless Injection）?；驹硎峭ㄟ^(guò)動(dòng)力裝置（如壓縮氣體、彈簧和電磁力等），使得藥液通過(guò)一個(gè)微小的孔洞加速到高速狀態(tài)，通過(guò)物理撕裂的方式透過(guò)皮膚，將藥液輸送到皮下組織或肌肉組織。

1947年，無(wú)針注射作為一種取代傳統(tǒng)有針注射的新型藥物輸送方式第1次被文獻(xiàn)所記載[1]。無(wú)針注射技術(shù)較多的應(yīng)用于胰島素、干擾素、麻醉劑等藥物的注射。而將無(wú)針注射技術(shù)應(yīng)用于豬疫苗注射，國(guó)外已研發(fā)出了較為成熟的產(chǎn)品并且推向了市場(chǎng)，如加拿大AcuShot、MIT公司，美國(guó)的Pulse Needlefree System公司生產(chǎn)的無(wú)針注射器等。近年來(lái)，隨著無(wú)針注射技術(shù)的日趨成熟，對(duì)于無(wú)針注射用于動(dòng)物疫苗接種領(lǐng)域的研究越來(lái)越多，主要集中于注射安全及注射效能的評(píng)價(jià)等方面。Terry A. Houser等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)針注射用于豬疫苗接種是安全有效的，并且能夠減少注射點(diǎn)皮膚的膿瘡、發(fā)炎等病癥[2].Gary F. Jones&Vicki Rapp-Gabrielson等人通過(guò)注射豬肺炎支原體疫苗實(shí)驗(yàn)表明，利用無(wú)針注射器接種后，支氣管肺泡灌洗液中的免疫球蛋白（IgA&IgG）滴定溶度要高于利用針刺注射所獲得的數(shù)值[3]。通常成規(guī)模的豬場(chǎng)，每隔一段時(shí)間都要進(jìn)行1次集中免疫，例如接種豬瘟、偽狂犬、乙腦等疫苗。1頭育成豬（196日齡）需要大約15次疫苗接種，而種豬1生的接種次數(shù)更多。在集中免疫過(guò)程中，有針注射帶來(lái)的接種操作繁瑣、環(huán)境污染、容易感染等問(wèn)題就尤為突出。利用無(wú)針注射進(jìn)行常規(guī)疫苗的接種能很好的解決以下問(wèn)題：（1）因有針注射引起的動(dòng)物疾病的交叉；（2）注射速度慢；（3）減小針刺注射帶來(lái)的應(yīng)激反應(yīng)；（4）消除斷針殘留體內(nèi)的隱患等[4]。

2 噴射壓強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

影響射流能否穿透動(dòng)物皮膚的參數(shù)有射流速度、射流作用于皮膚上的面積、皮膚特性等。如果不考慮射流進(jìn)入皮膚后的作用過(guò)程，最大噴射滯止壓強(qiáng)是衡量射流能否穿透皮膚的重要依據(jù)。文獻(xiàn)[4-5]描述，，對(duì)直徑在0.1～0.5 mm 內(nèi)的噴射射流，15 MPa的壓強(qiáng)足以刺穿人體皮膚。但由于豬的皮膚特性因種類(lèi)以及年齡的不同而相差較大，故而目前針對(duì)能夠穿透豬皮膚的最大噴射滯止壓強(qiáng)并沒(méi)有形成一個(gè)較為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 噴射壓強(qiáng)測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)

圖1為利用彈簧作用動(dòng)力的無(wú)針注射器的一般結(jié)構(gòu)，Sander和Baker與1999年第1次建立了此種類(lèi)型無(wú)針注射器的數(shù)學(xué)模型并據(jù)此分析得出了彈簧剛度系數(shù)、微孔直徑等相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)射流特性的影響[4]。

圖1 利用彈簧作為裝載力的無(wú)針注射器的一般結(jié)構(gòu)及相關(guān)參量簡(jiǎn)圖

但是，Baker等的數(shù)學(xué)模型并沒(méi)有將撞擊桿與活塞桿的初始沖撞間隙考慮在內(nèi)。實(shí)際上，對(duì)于相同剛度系數(shù)的彈簧，在一定范圍內(nèi)增加沖撞間隙將提高最大噴射壓強(qiáng)[7]。本文依據(jù)圖1所示的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種噴射測(cè)試裝置（如圖2）。此裝置可以更換不同剛度系數(shù)的彈簧，以及調(diào)整不同的沖撞間隙，從而得出較為合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，為下文所述的無(wú)針注射器的整體設(shè)計(jì)提供依據(jù)。噴射測(cè)試裝置包括：（1）可垂直向下彈射的撞擊桿件；（2）可通過(guò)螺紋螺桿傳動(dòng)向下壓縮彈簧的壓塊；（3）末端設(shè)有單向閥的儲(chǔ)藥安瓿（包含受撞擊活塞桿）；（4）可旋轉(zhuǎn)釋放彈簧彈性勢(shì)能的開(kāi)關(guān)。

初始位置時(shí)，可旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)與方形槽成一定角度以阻止撞擊桿件向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺母帶動(dòng)壓塊向下運(yùn)動(dòng)以壓縮彈簧。當(dāng)彈簧壓縮完畢后，旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)使其與方形槽平行，此時(shí)彈簧即被釋放并帶動(dòng)沖擊桿件向下撞擊活塞桿，藥液通過(guò)安瓿前段的微孔流出，完成噴射。沖擊桿件上端通過(guò)螺紋與旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)連接，通過(guò)它可以調(diào)整沖擊桿件下端與活塞桿的距離，從而改變沖撞間隙的大小。

實(shí)驗(yàn)選用日本標(biāo)準(zhǔn)模具彈簧。彈簧材料為60SiCrA，彈簧壽命30萬(wàn)次以上，如果按每年注射5萬(wàn)次計(jì)算可以使用6年，滿(mǎn)足獸用無(wú)針注射器產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。沖撞間隙分別選擇為0 mm、3 mm、5 mm以及7 mm。

表1 實(shí)驗(yàn)所選用彈簧的基本參數(shù)

圖2 一種噴射壓強(qiáng)測(cè)試裝置

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

實(shí)驗(yàn)所選用的主要設(shè)備：壓力傳感器（型號(hào)：FSG15N1A，制造商：Honeywell International Inc）、差模放大器（型號(hào)：NA101，制造商：BB（中國(guó)）有限公司）、數(shù)據(jù)采集卡（型號(hào)：PCI-1711L，制造商：研華科技股份有限公司）。所搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的性能參數(shù)為：壓力傳感器的額定輸入電壓為12 VDC，靈敏度為24 mv/gram。放大器的采樣頻率為5 000Hz，采樣點(diǎn)為10 000，放大倍數(shù)為40。

圖3（A）為噴射壓強(qiáng)測(cè)試平臺(tái)的示意圖。首先將上文設(shè)計(jì)的測(cè)試裝置通過(guò)鐵夾固定在支架上，壓力傳感器固定在支架的底部的平臺(tái)上。并使得測(cè)試裝置的軸線(xiàn)與壓力傳感器的受力端面垂直。將壓力傳感器的輸入端接入12V直流電源，輸出端接入電壓放大器的輸入端，電壓放大器的輸出端接入數(shù)據(jù)采集卡的輸入端，最終電腦采集數(shù)字信號(hào)，通過(guò)Matlab軟件繪制出射流噴射的平均壓強(qiáng)與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖3 噴射壓強(qiáng)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

噴射滯止壓強(qiáng)是衡量射流能否穿透皮膚的一個(gè)重要參數(shù)[8]，平均壓強(qiáng)是受到射流沖擊的平面上所有滯止點(diǎn)某一時(shí)刻的滯止壓力的平均值。

圖4所示的1號(hào)彈簧（7.3 m mN/ ）不同沖撞間隙（sh）的情況下，平均壓強(qiáng)與時(shí)間的關(guān)系?？梢悦黠@的看出當(dāng)沖撞間隙為0 mm時(shí)最大滯止壓強(qiáng)為14.5 Mpa，當(dāng)沖撞間隙為7 mm時(shí)最大滯止壓強(qiáng)為32 Mpa，所獲得平均壓強(qiáng)峰值提高了1倍。

圖4 1號(hào)彈簧在不同沖撞間隙的情況下，平均壓強(qiáng)與時(shí)間的關(guān)系

從圖5可以看出，當(dāng)不存在沖撞間隙時(shí)，所獲得的最大滯止壓強(qiáng)隨著彈簧剛度系數(shù)的增加變化幅度較小，當(dāng)沖撞間隙分別置于3mm、5mm、7mm時(shí)所獲得的最大滯止壓強(qiáng)變化值較大。而對(duì)于單個(gè)彈簧來(lái)說(shuō)，隨著沖撞間隙的持續(xù)增大，最大滯止壓強(qiáng)變化并不是一直增大，而是趨向于平緩。如果繼續(xù)增大沖撞間隙，特別是當(dāng)沖撞間隙sh大于彈簧的壓縮量時(shí)，彈簧還未撞擊活塞桿即處于減速過(guò)程，此時(shí)的最大滯止壓強(qiáng)反而會(huì)減小。

圖5 最大滯止壓強(qiáng)與沖撞間隙的關(guān)系

3 一種分體式無(wú)針注射器的設(shè)計(jì)

豬場(chǎng)的免疫注射一般集中進(jìn)行，每次注射的次數(shù)根據(jù)豬場(chǎng)的規(guī)模不同從數(shù)百次到數(shù)千次不等，工作任務(wù)繁重，這就要求無(wú)針注射器的重量不能太大。但由于動(dòng)物的體型較大，皮膚較厚，所需要射流的最大滯止壓強(qiáng)比較高。這樣，需要的動(dòng)力裝載裝置的尺寸與重量就會(huì)增大。因此，本文將動(dòng)力裝載裝置與注射裝置分開(kāi)設(shè)計(jì)，動(dòng)力裝載裝置可以背在操作人員的背部。這樣不僅大大減小手持注射裝置的重量，還可以增加蓄電池電量，延長(zhǎng)一次充電后的工作時(shí)間。

基于以上分析，本文提供了一種分體式的無(wú)針注射器方案（圖6），沖撞間隙固定為7 mm。該系統(tǒng)有直流電機(jī)和彈簧提供動(dòng)力，可以實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)注射。（1）包括一個(gè)可以?xún)?chǔ)存藥液的容器；（2）一個(gè)可以壓縮彈簧并且可以瞬間釋放其勢(shì)能的彈射裝置；（3）一個(gè)可以吸入藥瓶中的藥液并將其加速的注射筒體（安瓿）；（4）一個(gè)通過(guò)軟管連接安瓿并且?guī)в袊娍椎淖⑸錁?。?dāng)需要對(duì)養(yǎng)殖動(dòng)物進(jìn)行注射時(shí)，直流電機(jī)與滾珠絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使得彈簧壓縮，同時(shí)帶動(dòng)活塞桿向后運(yùn)動(dòng)，此時(shí)容器中的藥液被吸入安瓿，當(dāng)彈簧被釋放時(shí)，撞擊桿沖撞活塞桿快速向左運(yùn)動(dòng)，使得安瓿中的藥液以高流速通過(guò)軟管到達(dá)噴射槍并從其前段的微孔噴出，完成一次注射。安瓿的的頭部分別設(shè)有兩個(gè)單向閥門(mén)，保證了藥液的單向流動(dòng)。

圖6 自制分體式無(wú)針注射器系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

4 實(shí)踐應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)選用杜洛克豬作用透皮實(shí)驗(yàn)對(duì)象，用結(jié)晶紫為指示染料，檢測(cè)自制無(wú)針注射器用于豬頸部肌肉注射免疫時(shí)的注射效果。選用10日齡、20日齡、35日齡、60日齡仔豬各一頭，注射完成后剖殺動(dòng)物，解剖注射部位下層組織，觀(guān)察皮膚層、肌肉層等的注射情況。

表2 實(shí)驗(yàn)中自制無(wú)針注射器的主要參數(shù)

圖7自制無(wú)針注射器對(duì)不同日齡杜洛克豬頸部的注射效果

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自制無(wú)針注射器已經(jīng)能夠?qū)Χ€(gè)月內(nèi)的杜洛克豬進(jìn)行注射。注射深度完全能夠到達(dá)肌肉層，并且染色劑的擴(kuò)散面積較大。并且利用無(wú)針注射系統(tǒng)進(jìn)行皮下注射能夠提高溶做媒分子的吸收效率[9]。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)一種噴射壓力測(cè)試裝置，通過(guò)調(diào)整沖撞間隙，對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)彈簧進(jìn)行測(cè)試，量化了平均壓強(qiáng)與沖撞間隙之間的關(guān)系，為無(wú)針注射器的設(shè)計(jì)提高數(shù)據(jù)參考。

本文設(shè)計(jì)了一種分體式無(wú)針注射器，將彈簧裝載機(jī)構(gòu)、彈射機(jī)構(gòu)以及控制電路電路等于手持式的噴射槍分開(kāi)設(shè)計(jì)。這樣解決了一體式無(wú)針注射器手持部分比較沉重的弊端，并且可以通過(guò)更換不同型號(hào)的彈簧，以適應(yīng)不同動(dòng)物的注射要求。

本文通過(guò)杜洛克豬透皮噴射實(shí)驗(yàn)，直觀(guān)的得到了射流在皮下及肌肉組織中深度以及擴(kuò)散形態(tài)。得出了無(wú)針注射技術(shù)在養(yǎng)殖動(dòng)物注射領(lǐng)域的可行性。

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