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        無針注射器的研究進(jìn)展

        2015-03-21 10:14:26邵文鵬王韻晴李聞濤陳敏陜西省醫(yī)療器械檢測(cè)中心西安710075
        中國醫(yī)療器械信息 2015年5期
        關(guān)鍵詞:無針動(dòng)力源孔洞

        邵文鵬 王韻晴 李聞濤 陳敏 陜西省醫(yī)療器械檢測(cè)中心 (西安 710075)

        0.引言

        無針注射器(Needle-free Injector for Medical Use)又稱射流注射器,是一種采用不同于傳統(tǒng)注射針頭穿刺皮膚實(shí)施給藥的新型注射裝置。1853年,法國人Charles G. Pravaz 和美國人Alexander Wood 設(shè)計(jì)了第一支無針注射器[1,2]。1866 年,法國科學(xué)家Béclard 首次提出了“無針注射”的概念。1933 年,美國醫(yī)生Robert Hingson 利用高壓輸油管內(nèi)的液體可由輸油管表面的小孔噴出能穿透皮膚射入體內(nèi)的這一發(fā)現(xiàn),研制了最早的無針注射器,并進(jìn)行了臨床研究。目前,現(xiàn)代無針注射器一直被公認(rèn)起源于無針注射器之父Robert Hingson 的發(fā)明。Hingson 等人發(fā)明了一種利用微細(xì)噴射流刺入皮膚并將藥物沉積在皮下組織的高壓“槍”。二戰(zhàn)期間,這種注射“槍”在接種對(duì)抗感染性疾病方面得到廣泛使用,在大規(guī)模的疫苗接種中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。自1980 年以來,無針注射器通過不斷的改良,使給藥更加高效,產(chǎn)生疼痛更小,已經(jīng)成為各種疫苗接種、傳染病防治、各種藥物治療及需要自行實(shí)施注射的糖尿病患者等人群的最佳選擇[3]。

        圖1. 傳統(tǒng)注射(左)與無針注射(右)

        與傳統(tǒng)針刺注射器相比(圖1 所示),無針注射器有著明顯的優(yōu)勢(shì):(1)注射時(shí)幾乎無痛感或只有輕微痛感,可以提高對(duì)針頭有恐懼感的病人和兒童患者的順應(yīng)性;(2)皮下注射不會(huì)損傷組織;(3)藥物進(jìn)入人體后呈擴(kuò)散狀,擴(kuò)散更加快速;(4)使用方便,操作簡(jiǎn)單,不需要醫(yī)護(hù)人員的監(jiān)控病人即可在任何地方自行實(shí)施注射;(5)無針注射器可省去更換針頭等流程,避免交叉污染,同時(shí)減少了醫(yī)療垃圾處理的麻煩和費(fèi)用[4]。

        1.無針注射器的概念和分類

        無針注射器是指利用動(dòng)力源(如彈簧、音圈電機(jī)、高壓氣體等)產(chǎn)生的瞬時(shí)高壓使注射器內(nèi)藥液通過噴嘴(直徑達(dá)到微米級(jí))形成高速、高壓的噴射流(流速一般大于100m/s),從而擊穿皮膚實(shí)現(xiàn)給藥的醫(yī)療器械裝置。

        目前市場(chǎng)上無針注射器的種類很多。按照動(dòng)力源可以分為:基于彈簧的機(jī)械動(dòng)力式無針注射器,高壓氣體動(dòng)力式無針注射器,基于音圈電機(jī)的無針注射器等。按照注射藥劑的存在形式又可分為:液體無針注射器和粉末無針注射器。按照無針注射器的外形,又可分為筆式和槍式。按照重復(fù)使用程度可分為:一次性使用無針注射器和重復(fù)性使用無針注射器[5]。

        2.無針注射器的結(jié)構(gòu)與工作原理

        目前市場(chǎng)上典型的無針注射器,其結(jié)構(gòu)一般可分為三個(gè)部分:(1)動(dòng)力頭,包括動(dòng)力源、觸發(fā)結(jié)構(gòu)等;(2)注射頭,包括注射藥腔、活塞、射流孔和定量機(jī)構(gòu)等;(3)輔助裝置,包括取藥適配器,動(dòng)力恢復(fù)裝置等。實(shí)際上,這三個(gè)部分按照不同的設(shè)計(jì)方案組裝后,就形成了市場(chǎng)上各式各樣的無針注射器[6]。

        無針注射的實(shí)際過程可以分為兩個(gè)階段:第一個(gè)階段,射流從注射器的噴嘴射出,作用到皮膚上,瞬間產(chǎn)生一個(gè)很高的碰撞力,這種碰撞力能夠割裂皮膚,在皮膚內(nèi)形成一個(gè)孔洞;第二個(gè)階段,后續(xù)的藥液射流通過這個(gè)孔洞擴(kuò)散到周圍的組織結(jié)構(gòu)中。

        無針注射的原理示意圖如圖2 所示。藥液射流首先在皮膚表面造成近似半球型的壓痕和唇形突起,之后高速表面徑流的剪切作用致使皮膚撕裂,并形成一個(gè)孔洞。在穿越這個(gè)孔洞時(shí),射流的速度會(huì)持續(xù)降低[7]??锥葱纬蓵r(shí)的逆流非常明顯,當(dāng)皮膚上孔洞形成時(shí)的體積率(the volumetric rate of hole formation)小于射流進(jìn)入皮膚的體積流量率(volumetric flow rate)時(shí),所產(chǎn)生的逆流進(jìn)一步減慢了射流穿入皮膚的速度,同時(shí)也減小了能射入皮膚深處的流體體積。當(dāng)孔洞形成一定的深度后,在逐漸形成的孔洞末端的射流速度減低到不能再進(jìn)一步刺入皮膚的大小時(shí),此時(shí)孔洞的深度已經(jīng)基本確定。持續(xù)射流的停滯壓力(stagnation pressure of further incoming jet)使藥液在孔洞末端以近似球狀的形式向孔洞四周擴(kuò)散[8]。如圖3 所示,根據(jù)無針注射器的噴射流程,可將噴射注射分解成儲(chǔ)藥、加載、觸發(fā)、噴射、注射五個(gè)步驟完成。

        圖2. 無針注射的原理示意圖

        圖3. 無針注射器的噴射流程圖

        3.無針注射器的研究現(xiàn)狀

        國外對(duì)無針注射器的研究起步較早,迄今為止已經(jīng)開展了大量的研究工作。1999 年,美國華盛頓大學(xué)Baker 和Sander 等人建立了彈簧加載式無針注射器的數(shù)學(xué)模型,并對(duì)注射過程進(jìn)行了仿真。劍橋大學(xué)博士Oliver A.Shergol[9]在Weston Medical 公司的資助下制作了壓力試驗(yàn)臺(tái)對(duì)不同型號(hào)的無針注射裝置噴射過程所產(chǎn)生的壓力進(jìn)行記錄并比較。加州大學(xué)的Baxter[10]對(duì)無針注射機(jī)理方面做了系統(tǒng)的研究,并形成了一套如何開發(fā)無針注射器的具體方案。此外,牛津大學(xué)工程學(xué)系Kendall Mark A. F.教授[11]采用MIFVS 對(duì)高壓氣體噴射粉末無針注射器噴射時(shí)的沖擊流進(jìn)行了模擬。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前國外有數(shù)十家廠商可以生產(chǎn)近百種型式的無針注射器,關(guān)于無針注射器的專利已超過300 件。在當(dāng)今已研制出的無針注射器中,以英國Weston Medical 公司的Intraject、美國Equidyne公司的Injex無針注射器最具有代表性。

        近年來,國內(nèi)學(xué)者對(duì)無針注射器的工作特性和射流機(jī)理方面也做了比較深入的研究,并研發(fā)了用于疫苗注射的無針頭粉末注射器。近日,擁有國內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的胰島素?zé)o針注射器通過了國家食品藥品監(jiān)督管理局的注冊(cè)審批并獲得上市資格,中國成為國際上為數(shù)不多的可以生產(chǎn)無針注射器的國家[12]。

        3.1 彈簧動(dòng)力式無針注射器

        彈簧動(dòng)力式無針注射器采用彈簧為動(dòng)力源,將壓縮彈簧的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為噴射藥劑的動(dòng)能,使藥劑被噴射進(jìn)入人體皮下或肌肉內(nèi),從而發(fā)揮藥效。其工作原理為:壓縮彈簧被激發(fā)后,壓迫連接桿向前推進(jìn),推動(dòng)裝有藥液的安瓶底部的活塞,使藥液由安瓶前面的小孔噴出,藥液釋放到體內(nèi),達(dá)到無針注射的目的。彈簧動(dòng)力式無針注射器的注射體積一般在0.1mL~l.0mL,具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工制造難度較小的特點(diǎn),使用時(shí)噪音較小,安全性較好。但是注射系統(tǒng)輸出的驅(qū)動(dòng)力取決于彈簧本身的剛度,因此驅(qū)動(dòng)力的大小難以進(jìn)行調(diào)節(jié)。Hypospray(r)是最早一代的彈簧動(dòng)力式無針注射器,注射時(shí)所產(chǎn)生的疼痛感和對(duì)皮膚的傷害與有針注射相比顯著減小,高強(qiáng)度彈簧在機(jī)械加工中較容易實(shí)現(xiàn),并且安全性良好,使用時(shí)產(chǎn)生的噪音比較小[13]。目前Medi-Ject,Equidyne Systems 等公司分別開發(fā)出比較成熟的以彈簧為動(dòng)力源的無針注射器產(chǎn)品。

        3.2 高壓氣體動(dòng)力式無針注射器

        高壓氣體動(dòng)力式無針注射器的原理為:通過釋放高壓氣體,壓縮載藥安瓿瓶尾部的活塞,推動(dòng)藥物(溶液、混懸液或乳濁液),使其由安瓿瓶前部的噴射孔射流噴出,高壓液流穿透皮膚,藥物被釋放在皮下或肌肉內(nèi)發(fā)揮藥效。高壓氣體動(dòng)力式無針注射器的動(dòng)力源可采用高壓氮?dú)?、高壓氦氣、高壓二氧化碳,也可采用通過機(jī)械活塞和高壓儲(chǔ)氣室生成的高壓氣源。采用高壓氣體作為動(dòng)力源以確保注射系統(tǒng)具有基本恒定的驅(qū)動(dòng)力,進(jìn)而使得射流速度也能保持恒定,因此整個(gè)注射過程比較穩(wěn)定。高壓氣體動(dòng)力式無針注射器通常具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、攜帶不便等特點(diǎn)。另外,高壓氣體動(dòng)力對(duì)整個(gè)注射系統(tǒng)的耐壓性和密封性要求嚴(yán)格,并且使用時(shí)產(chǎn)生的噪聲比較大。Weston醫(yī)藥公司和Bioject 公司分別開發(fā)了系列高壓氣體動(dòng)力無針注射器產(chǎn)品,應(yīng)用于羅氏公司的干擾素和抗菌素、Medeva 公司的流感疫苗、Fragmin 公司的肝素等藥物或疫苗的注射。Weston 醫(yī)藥公司開發(fā)的產(chǎn)品主要以高壓氮?dú)鉃閯?dòng)力源,Bioject 公司開發(fā)的產(chǎn)品以高壓二氧化碳為動(dòng)力源[14]。

        3.3 彈藥動(dòng)力式無針注射器

        彈藥動(dòng)力式無針注射器是一種新型設(shè)計(jì)的、尚未經(jīng)過系統(tǒng)研究的產(chǎn)品,其工作原理為:利用彈藥在密閉氣室內(nèi)爆炸瞬間產(chǎn)生的高壓,氣體經(jīng)噴射管加速粉末或推動(dòng)活塞噴射藥液,藥物被注射到皮下或肌肉內(nèi),進(jìn)而發(fā)揮藥效。由于彈藥動(dòng)力式注射器的注射時(shí)間很短且注射過程中驅(qū)動(dòng)力大小無法調(diào)節(jié),因而注射器驅(qū)動(dòng)力的大小要在設(shè)計(jì)時(shí)確定。另外,產(chǎn)品涉及比較特殊的氣體膨脹室的結(jié)構(gòu),必須有配套的控制爆破后氣體壓力的裝置。如何使彈藥爆破時(shí)產(chǎn)生一個(gè)比較確定而恒定的爆破壓力是設(shè)計(jì)的難點(diǎn);同時(shí),如何在注射時(shí)消除爆破產(chǎn)生的巨大噪聲是設(shè)計(jì)必須考慮的內(nèi)容。目前市場(chǎng)上流通的彈藥動(dòng)力式無針注射器主要產(chǎn)自法國克魯斯杰克特公司,其裝載彈藥主要由兩種不同燃燒率的粉末混合物而成,其中高燃燒率的火藥在點(diǎn)火的初期使活塞產(chǎn)生很高的速度,而低燃燒率的火藥粉末在燃燒時(shí)維持進(jìn)行注射的閥值壓力,從而保證了注射過程能夠盡量均勻地進(jìn)行[15]。

        3.4 電磁動(dòng)力式無針注射器

        電磁動(dòng)力式無針注射器的一大優(yōu)點(diǎn)是可控制性非常強(qiáng)。目前,電磁動(dòng)力式無針注射器主要有兩類:壓電驅(qū)動(dòng)式無針注射器和音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)式無針注射器。Jeanne C. Stachowiak 等[16]研制出壓電驅(qū)動(dòng)式無針注射器。該類注射器壓電驅(qū)動(dòng)所輸出的位移較小,因此單次噴射劑量很小,即噴射注射處于微噴射狀態(tài),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)“射流速度-時(shí)間曲線”的精確控制。A. J. Taberner 和Brian D. Hemond 等研制了音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)式無針注射器。音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)式無針注射器的驅(qū)動(dòng)力大小可通過改變音圈電機(jī)通電電流大小來進(jìn)行控制和調(diào)節(jié),因此,能夠有效地控制射流滯止壓力[17]。

        3.5 激光動(dòng)力式無針注射器

        激光動(dòng)力式無針注射器采用激光為動(dòng)力源,采用光纖作為能量傳輸介質(zhì),通過光熱轉(zhuǎn)化,使無針注射器動(dòng)能腔內(nèi)的液體膨脹,推動(dòng)給藥腔內(nèi)的藥劑噴出。由于注射劑量較小,注射深度較淺,因而屬于微噴無針注射。注射器的射流滯止壓力可通過調(diào)整激光器功率、占空比以及激光器啟動(dòng)時(shí)間來調(diào)節(jié)。激光動(dòng)力式無針注射器的突出優(yōu)點(diǎn)在于能量集中、穩(wěn)定,可控制性強(qiáng),但目前存在的技術(shù)不成熟、成本高等問題使得該類注射器仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段,尚無商品上市[18]。

        目前市場(chǎng)上流通的無針注射器產(chǎn)品,主要有彈簧動(dòng)力式無針注射器和高壓氣體動(dòng)力式無針注射器,但也有少量彈藥動(dòng)力式無針注射器,普遍存在著注射過程中驅(qū)動(dòng)力大小難以調(diào)節(jié),可控制性不強(qiáng)等問題。而電磁動(dòng)力式、激光動(dòng)力式無針注射器在技術(shù)方面存在設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜,但注射器驅(qū)動(dòng)力的可控制性在實(shí)驗(yàn)研究中得到較為理想的效果。相信伴隨相關(guān)技術(shù)研究的進(jìn)一步深入,這些新型無針注射器將會(huì)迎來更為廣闊的發(fā)展前景。

        4.展望

        無針注射器具有使用方便、安全、無痛、高效等特點(diǎn),因而在臨床醫(yī)療及家庭保健方面的應(yīng)用日漸廣泛。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),國外目前有數(shù)十家廠商在生產(chǎn)近百種不同樣式的無針注射器產(chǎn)品,主要用于疫苗、胰島素、局部麻醉、神經(jīng)阻塞以及抗生素的注射等。近年來,國內(nèi)外研究者致力于開發(fā)出新型、高效的無針注射器,巧妙地將微細(xì)加工制造、新型材料等領(lǐng)域的高新技術(shù)與無針注射器的研制緊密結(jié)合起來。目前,無針注射器的主要發(fā)展趨勢(shì)為:縮小體積;減輕質(zhì)量;提高安全性;開發(fā)配套藥物及疫苗;提高藥物遞送效率;降低對(duì)人體的刺激性;滿足特殊人群的需要;擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域;降低使用成本;減少污染。隨著無針注射器技術(shù)的不斷更新和普及,其安全、便捷的優(yōu)勢(shì)將會(huì)在更大領(lǐng)域內(nèi)取代有針注射器。

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