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。

[1] Inoue N, Todo H, Iidaka D, et al. Possibility and effectiveness of drug delivery to skin by needle-free injector[J]. Int J Pharm, 2010, 391(1-2): 65–72.

[2] Resik S, Tejeda A, Lago PM, et al. Randomized controlled clinical trial of fractional doses of inactivated poliovirus vaccine administered intradermally by needle-free device in Cuba[J]. J Infect Dis, 2010, 201(9): 1344–1352.

[3] 周旭, 王伽伯, 肖小河. 無針注射給藥系統(tǒng)及應(yīng)用[J]. 解放軍藥學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 21(6): 439–443.

[4] C. Scanlon Daniels, Needle-Free Injection: Pros and Cons. Available from: URL: http://www.highplainsdairy.org/2010/9_Daniels_Needle%20Free%20Injection_FINAL.pdf, accessed on 15th January 2014.

[5] Rapolu Bharath Kumar. Needle Free Injection Systems[J]. The Pharma Innovation, 2012, 1(9): 57–72.

[6] M. Sunitha Reddy, M. Ranjith Kumar, K.Sanjay Kumar, et al. Review on Needle free drug delivery systems[J]. International Journal of Review in Life Sciences, 2011, 1(2): 76–82.

[7] Anubhav Arora, Murk R, Prausnitz, et al. Microscale devices for transdermal drug delivery[J]. International journal of pharmaceutics, 2008, 364(2): 227–236.

[8] Mitragotri S. Current status and future prospects of needle-free liquid jet injectors[J]. Nat Rev Drug Discov, 2006, 5(7): 543–548.

[9] Oliver A. Shergold, Norman A. Fleck. Experimental Investigation Into the Deep Penetration of Soft Solids by Sharp and Blunt Punches, With Application to the Piercing of Skin[J]. Journal of Biomechanical Engineering, 2005, 127: 838–848.

[10] Baxter J, Mitragotri S. Needle-free liquid jet injections: mechanisms and applications[J]. Expert Rev Med Devices, 2006, 3(5): 565–574.

[11] Bhargav, Aarshi, Muller, David A., Kendall Mark A. F. and Corrie, Simon R. (2012) Surface modifications of microprojection arrays for improved biomarker capture in the skin of live mice. ACS Applied Materials and Interfaces, 45: 2483-2489. doi:10.1021/am3001727.

[12] 無針注射器獲準(zhǔn)上市[J]. 家庭用藥, 2011(4): 5.

[13] Nikolai Petrovsky, Yoshikazu Honda-Okubo, Michael Royals, et al. A randomized controlled study to assess the immunogenicity and tolerability of a 2012 trivalent seasonal inactivated influenza vaccine administered via a disposable syringe jet injector device versus a traditional pre-filled syringe and needle[J]. Trials in Vaccinology, 2013, 2: 39–44.

[14] Tejaswi R Kale, Munira Momin. Needle free injection technology - An overview[J]. Innovations in Pharmacy, 2014, 5(1): 1–8.

[15] Patwekar S L, Gattani S G, Pande M M. Needle Free Injection System: A Review[J]. International Journal of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences, 2013, 5(4): 14–19.

[16] Hunter Ian W, Taberner Andrew J, Hogan Catherine N. Delivery of a solid body and/or a fluid using a linear Lorentz-force actuated needle-free jet injection system. USA. 8821434[P]. 2014-09-02.

[17] Hemond BD, Wendell DM, Hogan NC, et al. A Lorentz-force actuated auto-loading needle-free injector[J]. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc, 2006, 1: 679–682.

[18] Tagawa Y, Oudalov N, El Ghalbzouri A, et al. Needle-free injection into skin and soft matter with highly focused microjets[J]. Lab Chip, 2013, 13(7): 1357–1363.