一種獸醫(yī)無(wú)針注射器注射參數(shù)的測(cè)量

張晶聲，金聞名，張旭，李娉

(中國(guó)獸醫(yī)藥品監(jiān)察所,北京100125)

一種獸醫(yī)無(wú)針注射器注射參數(shù)的測(cè)量

張晶聲，金聞名，張旭，李娉

(中國(guó)獸醫(yī)藥品監(jiān)察所,北京100125)

與帶針頭獸醫(yī)注射器相比，獸醫(yī)無(wú)針注射器具有藥液吸收效果好、防止交叉感染、防止針頭斷裂、提高肉品質(zhì)量、減少動(dòng)物保定、提高注射效率等優(yōu)點(diǎn)。為了給獸醫(yī)無(wú)針注射器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，以某獸醫(yī)無(wú)針注射器作為樣品，對(duì)其注射劑量、噴孔孔徑和噴射沖擊力進(jìn)行測(cè)量，對(duì)測(cè)量方法和測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析討論。結(jié)果顯示，在噴孔直徑為0.3037 mm時(shí)，獸醫(yī)無(wú)針注射器刺穿動(dòng)物皮膚所需的噴射壓力最小值為28 MPa，可作為獸醫(yī)無(wú)針注射器成功注射刺穿動(dòng)物皮膚所需噴射壓力的門檻值。

注射參數(shù)；噴射沖擊力；噴射壓力

無(wú)針注射又稱射流注射，是通過(guò)能量噴發(fā)系統(tǒng)使液體藥物通過(guò)一個(gè)極細(xì)的注射孔后，產(chǎn)生一個(gè)液體柱，穿透皮膚噴射到皮膚內(nèi)組織。獸醫(yī)無(wú)針注射器是在活塞注射器的基礎(chǔ)上，增加驅(qū)動(dòng)裝置，瞬時(shí)爆發(fā)推動(dòng)活塞，將藥液從微型噴孔高速噴出，穿透皮膚形成超微細(xì)射流，實(shí)現(xiàn)皮下或肌肉注射。再增加吸藥裝置，可完成自動(dòng)吸藥，實(shí)現(xiàn)連續(xù)注射[1]。藥液到體內(nèi)的過(guò)程包含兩步[2]：第一步是高速射流刺穿皮膚、脂肪和肌肉組織，形成裂紋，噴射完畢后裂紋閉合；第二步是藥液在目標(biāo)組織中以相對(duì)低的速度進(jìn)行擴(kuò)散。像用傳統(tǒng)帶針頭注射器注射時(shí)皮膚的開(kāi)合機(jī)理一樣，刺穿皮膚所需的噴射壓力是無(wú)針注射器成功工作的關(guān)鍵所在。研究表明，對(duì)于噴孔直徑在0.1～0.5 mm內(nèi)的噴射射流，刺穿人體皮膚的噴射壓力是15 MPa[3]。而對(duì)于動(dòng)物體的噴射壓力門檻值，至今尚無(wú)參考值。

目前，國(guó)內(nèi)有多家高校進(jìn)行無(wú)針注射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，在驅(qū)動(dòng)原理、噴射特性和注射效果方面進(jìn)行了理論和實(shí)證方法研究[4-5]。國(guó)內(nèi)多家企業(yè)也展開(kāi)了獸醫(yī)無(wú)針注射器的研制，但產(chǎn)品使用效果尚沒(méi)有達(dá)到要求，主要原因在于產(chǎn)品的噴射壓力峰值達(dá)不到基本的閾值[6-7]。本文以某進(jìn)口獸醫(yī)無(wú)針注射器作為樣品，對(duì)其進(jìn)行了注射劑量、噴孔孔徑和噴射沖擊力測(cè)量，計(jì)算噴射壓力，以期對(duì)新型無(wú)針注射器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)有啟發(fā)作用。

1 檢測(cè)方法

1.1 注射劑量 本次測(cè)量采用的獸醫(yī)無(wú)針注射器配備粉、綠、藍(lán)、紅四種動(dòng)力棒。對(duì)于每種動(dòng)力棒，以純凈水為注射液，在標(biāo)稱0.2 mL、0.5 mL、1.0 mL、1.5 mL和2.0 mL劑量下，分別注射10次，用BP3100S電子天平(最大量程3100 g，分辨率0.01 g，檢定結(jié)果準(zhǔn)予作為II級(jí)天平使用)稱重，取平均值為測(cè)量劑量。

1.2 噴射壓力

1.2.1 噴孔孔徑 將獸醫(yī)無(wú)針注射器前段注射孔拆下，在VISIO 500型影像測(cè)量?jī)x上(分辨率為0.1 um)測(cè)量噴射孔徑，三次測(cè)量取平均值。此孔徑值將作為噴射壓力計(jì)算的輸入項(xiàng)。

1.2.2 沖擊力測(cè)量 本文采用的試驗(yàn)方案模擬真

實(shí)注射情形，見(jiàn)圖1。以剛性傳感器受力面作為噴射平面，將獸醫(yī)無(wú)針注射器的噴射水流直接打在力傳感器的螺桿端面上，測(cè)量沖擊力。傳感器輸出信號(hào)為0～5 V的電壓信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡，將力值實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到電腦中，實(shí)現(xiàn)力值信號(hào)的波形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

圖1 沖擊力測(cè)量試驗(yàn)方案

考慮到獸醫(yī)無(wú)針注射器噴射水流速度較快，選用了固有頻率大于40 kHz的壓力傳感器，傳感器型號(hào)為PPM-LS05，靈敏度0.97 mV/N。為避免因環(huán)境引起的共模干擾，采用差分接線方式接入數(shù)據(jù)采集卡NI USB6361(16位分辨率)。基于美國(guó)NI公司LabVIEW軟件平臺(tái)，根據(jù)測(cè)試需求設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)沖擊力數(shù)據(jù)采集程序，對(duì)獸醫(yī)無(wú)針注射器噴射水流沖擊力值進(jìn)行采集。因采樣率較高(10 kHz)，數(shù)據(jù)量很大，采用NI DIAdem進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析。對(duì)粉、綠、藍(lán)、紅棒，分別測(cè)量注射劑量為0.2 mL、0.5 mL、1.0 mL、2.0 mL和2.5 mL時(shí)的沖擊力。

2 測(cè)量結(jié)果

2.1 注射劑量 測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。可以看出，大部分誤差為正值，應(yīng)該是考慮到注射完全度即注射進(jìn)動(dòng)物體內(nèi)藥液與額定藥液的比例的影響；劑量越大誤差越小；根據(jù)動(dòng)力棒由粉色、綠色、藍(lán)色、紅色動(dòng)力增加，誤差有減小的趨勢(shì)。

表1 劑量測(cè)量結(jié)果

續(xù)表1

2.2 噴孔直徑 3次測(cè)定結(jié)果分別為0.3038、0.3037、0.3036。孔徑平均值0.3037 mm將作為噴射壓力計(jì)算的輸入項(xiàng)。

2.3 噴射沖擊力 不同注射劑量的沖擊力測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2，沖擊力隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖2(以粉棒1.5 mL為例)。

表2 不同注射劑量的沖擊力測(cè)量結(jié)果 N

表2數(shù)據(jù)顯示，相同劑量時(shí)，噴射沖擊力按照粉、綠、藍(lán)、紅棒順序增大。但不同劑量同一壓力棒時(shí)噴射沖擊力值規(guī)律不明顯。

圖2 沖擊力隨時(shí)間變化曲線

圖2顯示，執(zhí)行噴射操作后，系統(tǒng)測(cè)量到瞬時(shí)上升的峰值沖擊力，這是動(dòng)力棒活塞桿撞擊注射活塞時(shí)動(dòng)量轉(zhuǎn)換的直接反映，藥液憑借此力穿透皮膚；此后力值平穩(wěn)，顯示藥液的擴(kuò)散；最后力值降為0，完成注射過(guò)程。整個(gè)過(guò)程約200 ms。沖擊力隨時(shí)間變化曲線與文獻(xiàn)[2]中噴射壓力隨時(shí)間變化情況相近。

2.4 噴射壓力 通過(guò)沖擊力值與噴孔孔徑，按公式(1)計(jì)算噴射壓力，結(jié)果見(jiàn)表3。

(1)

式中P為噴射壓力，F(xiàn)為沖擊力，A為噴孔的橫截面面積。

表3 不同注射劑量的噴射壓力計(jì)算結(jié)果 MPa

表3顯示，噴射壓力具有與噴射沖擊力相同的變化趨勢(shì)，并且在噴孔直徑為0.3037 mm時(shí)，獸醫(yī)無(wú)針注射器的噴射壓力最小值約為28 MPa。

3 討論和結(jié)論

3.1 注射劑量 本試驗(yàn)采用純凈水通過(guò)稱重法進(jìn)行注射劑量測(cè)量，與現(xiàn)行獸醫(yī)注射器測(cè)量注射劑量的標(biāo)準(zhǔn)方法相同。

3.2 噴射沖擊力 本試驗(yàn)采用的噴射沖擊力測(cè)量方法，原理與劍橋大學(xué)學(xué)者提出的測(cè)量無(wú)針注射器噴射沖擊力的方法[2]相同，現(xiàn)在業(yè)界廣泛采用[3,8]，即不考慮噴射皮膚的差異性，將被噴射體設(shè)置為剛性體，測(cè)量噴射沖擊力。上述文獻(xiàn)中直接給出了噴射壓力圖。

3.3 噴射動(dòng)力 噴射動(dòng)力直接決定了噴射結(jié)果，本測(cè)量采用的獸醫(yī)無(wú)針注射器采取氣彈簧[9]形式的氮?dú)鈩?dòng)力棒[10]為動(dòng)力源，具有壓力穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、易于攜帶使用的優(yōu)點(diǎn)。理論上，無(wú)針注射驅(qū)動(dòng)方式還可以采用電磁驅(qū)動(dòng)[11-12]甚至激光驅(qū)動(dòng)[13]。獸醫(yī)無(wú)針注射器的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)探索使用各種驅(qū)動(dòng)方式的可能性。

3.4 噴射壓力 Oliver A Shergold等[2]對(duì)Intraject醫(yī)用無(wú)針注射器進(jìn)行噴射壓力測(cè)量，得出噴孔直徑在300 μm、噴射劑量為0.5 mL時(shí)噴射壓力為35 MPa; 對(duì)人體志愿者和B452硅橡膠進(jìn)行注射試驗(yàn)，得出噴孔直徑0.34 MPa時(shí)刺穿人體皮膚約需噴射壓力14 MPa，刺穿硅橡膠約需噴射壓力34 MPa。這些值兩倍于同樣直徑的帶針頭注射器刺穿皮膚所需的壓力。并且刺穿人體皮膚所需噴射壓力隨著噴孔直徑的增大而下降。周華等[3]對(duì)自制彈簧無(wú)針注射器進(jìn)行噴射壓力測(cè)量，得出噴射壓力隨注射劑量由0.1～0.3 mL變化時(shí)噴射壓力呈遞減趨勢(shì)；在一定的噴射距離(5 mm)內(nèi)，噴射壓力不隨噴射距離改變而改變。馬興江等[8]對(duì)自制彈簧動(dòng)力的無(wú)針注射器進(jìn)行沖擊力測(cè)量，得出噴射壓力最大值為32 MPa，并未給出噴孔直徑和噴射劑量；用自制的無(wú)針注射器對(duì)杜洛克豬做透皮注射試驗(yàn)，直觀地得出了射流在皮下及肌肉中的深度和擴(kuò)散形態(tài)。

本試驗(yàn)中采用的獸醫(yī)無(wú)針注射器是在加拿大被廣泛使用，性能成熟，標(biāo)配粉、綠、藍(lán)、紅、黃五色動(dòng)力棒，從測(cè)量結(jié)果看，動(dòng)力依次增強(qiáng)，與產(chǎn)品使用說(shuō)明一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了本試驗(yàn)測(cè)量方法的可行性。粉色適用于一到七天豬仔、綠色適用于兩周小豬、藍(lán)色適用于30 kg以內(nèi)中豬、紅色棒適用于30 kg以上大豬。對(duì)于獸醫(yī)無(wú)針注射器產(chǎn)品設(shè)計(jì)，若能達(dá)到同樣的噴射壓力，可期望能達(dá)到相應(yīng)的注射效果。因此，根據(jù)本測(cè)量結(jié)果，在噴孔直徑為0.3037 mm時(shí)，獸醫(yī)無(wú)針注射器的噴射壓力應(yīng)不低于28 MPa才能滿足注射要求。

[1] 張晶聲，張旭，李娉，等.獸醫(yī)無(wú)針注射器研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)獸藥雜志,2013,47(3):67-69.

[2] Oliver A Shergold, Norman A Fleck, Toby S King. The penetration of a soft solid by a liquid jet, with application to the administration of a needle-free injection[J]. Journal of Biomechanics, 2006, (39):2593-2602.

[3] 周華，陳凱，呂永桂. 一種液體噴射注射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與檢測(cè)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2009,25(2):116-120.

[4] 肖毅.影響無(wú)針注射性能若干因素研究[D].華中科技大學(xué)碩士論文,2012.

[5] 趙麗娜.無(wú)針注射技術(shù)研究[D].浙江大學(xué)碩士論文,2012.

[6] 王孝軍,于彤，張廣文，等.獸用無(wú)針注射器:中國(guó)，CN101428159A[P].

[7] 冷家波. 一種無(wú)針注射器:中國(guó)，CN202459643U[P].

[8] 馬興江，陳凱，呂永桂. 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)[J].中國(guó)畜牧獸醫(yī)文摘，2012,28 (1):166-169.

[9] 張英會(huì)，劉輝航，王德成，等. 彈簧手冊(cè)(第2版)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008:633.

[10]沃倫·L·托爾斯，凱文·托爾斯，朱爾斯·波伊羅恩.無(wú)針注射器: 中國(guó)，CN200580047288.7[P].

[11]王軍喜.電磁式無(wú)針自動(dòng)注射器：中國(guó)，CN 201375732Y[P].

[12]陳凱.電磁力驅(qū)動(dòng)的連續(xù)無(wú)針注射系統(tǒng)：中國(guó)，CN 101690834B[P].

[13]黃晶，趙純亮，陳洪，等.激光驅(qū)動(dòng)無(wú)針注射裝置：中國(guó)，CN 201453778U[P].

(編輯：李文平)

Injection Parameter Measure on a Kind of Needle-free Injector for Veterinary Use

ZHANG Jing-sheng, JIN Wen-ming, ZHANG Xu, LI Ping

(ChinaInstituteofVeterinaryDrugControl,Beijing100125,China)

Comparing with injection syringe for veterinary use, the needle-free injector for veterinary use has such advantages as better soup absorbing effect, preventing cross infection, avoiding needle breakage, enhancing meat quality, reducing fixation of animal and improving injection efficiency. In order to be suggestive to optimization design of needle-free injector for veterinary use,the dosage, orifice diameter and injection force of a kind of needle-free injector for veterinary use were measured, the injection pressure were calculated therefor.The test methods were discussed and the results were analyzed.The minimum required injection pressure 28 MPa corresponding to orifice diameter 0.3037mm was given. It can be used as the threshold injection pressure to successfully pierce into the livestock skin by needle-less injector for veterinary use.

injection parameter；injection force; injection pressure

張晶聲，工學(xué)碩士，副研究員，從事獸醫(yī)器械質(zhì)量監(jiān)測(cè)工作。E-mail:zhangjingsheng@ivdc.org.cn

2015-11-14

A

1002-1280 (2016) 01-0061-05

S851.66