馬興江 陳 凱 呂永桂

（杭州電子科技大學機械工程學院，杭州 310018）

1 背景介紹

無針注射器又稱噴射注射（Needle-free Injection或Needleless Injection）。基本原理是通過動力裝置（如壓縮氣體、彈簧和電磁力等），使得藥液通過一個微小的孔洞加速到高速狀態(tài)，通過物理撕裂的方式透過皮膚，將藥液輸送到皮下組織或肌肉組織。

1947年，無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次被文獻所記載[1]。無針注射技術較多的應用于胰島素、干擾素、麻醉劑等藥物的注射。而將無針注射技術應用于豬疫苗注射，國外已研發(fā)出了較為成熟的產(chǎn)品并且推向了市場，如加拿大AcuShot、MIT公司，美國的Pulse Needlefree System公司生產(chǎn)的無針注射器等。近年來，隨著無針注射技術的日趨成熟，對于無針注射用于動物疫苗接種領域的研究越來越多，主要集中于注射安全及注射效能的評價等方面。Terry A. Houser等通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，無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皮膚的膿瘡、發(fā)炎等病癥[2].Gary F. Jones&Vicki Rapp-Gabrielson等人通過注射豬肺炎支原體疫苗實驗表明，利用無針注射器接種后，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，每隔一段時間都要進行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。在集中免疫過程中，有針注射帶來的接種操作繁瑣、環(huán)境污染、容易感染等問題就尤為突出。利用無針注射進行常規(guī)疫苗的接種能很好的解決以下問題：（1）因有針注射引起的動物疾病的交叉；（2）注射速度慢；（3）減小針刺注射帶來的應激反應；（4）消除斷針殘留體內的隱患等[4]。

2 噴射壓強測試系統(tǒng)的設計與實驗

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

2.1 噴射壓強測試裝置的設計

圖1為利用彈簧作用動力的無針注射器的一般結構，Sander和Baker與1999年第1次建立了此種類型無針注射器的數(shù)學模型并據(jù)此分析得出了彈簧剛度系數(shù)、微孔直徑等相關設計參數(shù)對射流特性的影響[4]。

圖1 利用彈簧作為裝載力的無針注射器的一般結構及相關參量簡圖

但是，Baker等的數(shù)學模型并沒有將撞擊桿與活塞桿的初始沖撞間隙考慮在內。實際上，對于相同剛度系數(shù)的彈簧，在一定范圍內增加沖撞間隙將提高最大噴射壓強[7]。本文依據(jù)圖1所示的結構，設計了一種噴射測試裝置（如圖2）。此裝置可以更換不同剛度系數(shù)的彈簧，以及調整不同的沖撞間隙，從而得出較為合理的設計參數(shù)，為下文所述的無針注射器的整體設計提供依據(jù)。噴射測試裝置包括：（1）可垂直向下彈射的撞擊桿件；（2）可通過螺紋螺桿傳動向下壓縮彈簧的壓塊；（3）末端設有單向閥的儲藥安瓿（包含受撞擊活塞桿）；（4）可旋轉釋放彈簧彈性勢能的開關。

初始位置時，可旋轉開關與方形槽成一定角度以阻止撞擊桿件向下運動，此時通過旋轉螺母帶動壓塊向下運動以壓縮彈簧。當彈簧壓縮完畢后，旋轉開關使其與方形槽平行，此時彈簧即被釋放并帶動沖擊桿件向下撞擊活塞桿，藥液通過安瓿前段的微孔流出，完成噴射。沖擊桿件上端通過螺紋與旋轉開關連接，通過它可以調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。

實驗選用日本標準模具彈簧。彈簧材料為60SiCrA，彈簧壽命30萬次以上，如果按每年注射5萬次計算可以使用6年，滿足獸用無針注射器產(chǎn)品設計要求。沖撞間隙分別選擇為0 mm、3 mm、5 mm以及7 mm。

表1 實驗所選用彈簧的基本參數(shù)

圖2 一種噴射壓強測試裝置

2.2 實驗設備與方法

實驗所選用的主要設備：壓力傳感器（型號：FSG15N1A，制造商：Honeywell International Inc）、差模放大器（型號：NA101，制造商：BB（中國）有限公司）、數(shù)據(jù)采集卡（型號：PCI-1711L，制造商：研華科技股份有限公司）。所搭建實驗平臺的性能參數(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，采樣點為10 000，放大倍數(shù)為40。

圖3（A）為噴射壓強測試平臺的示意圖。首先將上文設計的測試裝置通過鐵夾固定在支架上，壓力傳感器固定在支架的底部的平臺上。并使得測試裝置的軸線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，通過Matlab軟件繪制出射流噴射的平均壓強與時間的關系曲線。

圖3 噴射壓強測試試驗臺

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

圖4所示的1號彈簧（7.3 m mN/ ）不同沖撞間隙（sh）的情況下，平均壓強與時間的關系?？梢悦黠@的看出當沖撞間隙為0 mm時最大滯止壓強為14.5 Mpa，當沖撞間隙為7 mm時最大滯止壓強為32 Mpa，所獲得平均壓強峰值提高了1倍。

圖4 1號彈簧在不同沖撞間隙的情況下，平均壓強與時間的關系

從圖5可以看出，當不存在沖撞間隙時，所獲得的最大滯止壓強隨著彈簧剛度系數(shù)的增加變化幅度較小，當沖撞間隙分別置于3mm、5mm、7mm時所獲得的最大滯止壓強變化值較大。而對于單個彈簧來說，隨著沖撞間隙的持續(xù)增大，最大滯止壓強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，特別是當沖撞間隙sh大于彈簧的壓縮量時，彈簧還未撞擊活塞桿即處于減速過程，此時的最大滯止壓強反而會減小。

圖5 最大滯止壓強與沖撞間隙的關系

3 一種分體式無針注射器的設計

豬場的免疫注射一般集中進行，每次注射的次數(shù)根據(jù)豬場的規(guī)模不同從數(shù)百次到數(shù)千次不等，工作任務繁重，這就要求無針注射器的重量不能太大。但由于動物的體型較大，皮膚較厚，所需要射流的最大滯止壓強比較高。這樣，需要的動力裝載裝置的尺寸與重量就會增大。因此，本文將動力裝載裝置與注射裝置分開設計，動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，延長一次充電后的工作時間。

基于以上分析，本文提供了一種分體式的無針注射器方案（圖6），沖撞間隙固定為7 mm。該系統(tǒng)有直流電機和彈簧提供動力，可以實現(xiàn)快速連續(xù)注射。（1）包括一個可以儲存藥液的容器；（2）一個可以壓縮彈簧并且可以瞬間釋放其勢能的彈射裝置；（3）一個可以吸入藥瓶中的藥液并將其加速的注射筒體（安瓿）；（4）一個通過軟管連接安瓿并且?guī)в袊娍椎淖⑸錁?。當需要對養(yǎng)殖動物進行注射時，直流電機與滾珠絲桿傳動機構使得彈簧壓縮，同時帶動活塞桿向后運動，此時容器中的藥液被吸入安瓿，當彈簧被釋放時，撞擊桿沖撞活塞桿快速向左運動，使得安瓿中的藥液以高流速通過軟管到達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有兩個單向閥門，保證了藥液的單向流動。

圖6 自制分體式無針注射器系統(tǒng)簡圖

4 實踐應用

實驗選用杜洛克豬作用透皮實驗對象，用結晶紫為指示染料，檢測自制無針注射器用于豬頸部肌肉注射免疫時的注射效果。選用10日齡、20日齡、35日齡、60日齡仔豬各一頭，注射完成后剖殺動物，解剖注射部位下層組織，觀察皮膚層、肌肉層等的注射情況。

表2 實驗中自制無針注射器的主要參數(shù)

圖7自制無針注射器對不同日齡杜洛克豬頸部的注射效果

該實驗結果表明，自制無針注射器已經(jīng)能夠對二個月內的杜洛克豬進行注射。注射深度完全能夠到達肌肉層，并且染色劑的擴散面積較大。并且利用無針注射系統(tǒng)進行皮下注射能夠提高溶做媒分子的吸收效率[9]。

5 結論

本文設計一種噴射壓力測試裝置，通過調整沖撞間隙，對不同標準彈簧進行測試，量化了平均壓強與沖撞間隙之間的關系，為無針注射器的設計提高數(shù)據(jù)參考。

本文設計了一種分體式無針注射器，將彈簧裝載機構、彈射機構以及控制電路電路等于手持式的噴射槍分開設計。這樣解決了一體式無針注射器手持部分比較沉重的弊端，并且可以通過更換不同型號的彈簧，以適應不同動物的注射要求。

本文通過杜洛克豬透皮噴射實驗，直觀的得到了射流在皮下及肌肉組織中深度以及擴散形態(tài)。得出了無針注射技術在養(yǎng)殖動物注射領域的可行性。

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[9]陳凱，楊鋒雷.基于音圈直線驅動的無針注射技術[J].機械工程學報，2010，4（9）：151-156