王靜，岳隆，楊濤，郝彩玲，王桂芬，任紅葉，王云飛(通信作者*)

(1.齊魯醫(yī)藥學(xué)院 臨床醫(yī)學(xué)院，山東 淄博 255300；2.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255000)

0 引言

傳統(tǒng)的針頭注射存在注射部位腫脹結(jié)痂、疼痛感較強、引起患者恐懼等不良現(xiàn)象[1,2]。若使用后的醫(yī)療廢棄物處理不當(dāng)很可能會引起交叉感染、污染環(huán)境等問題[3-5]。此外，普通患者自行使用針頭注射器時操作不便，注射效率低，藥液吸收速度較慢。鑒于以上原因，無針注射器逐漸在醫(yī)療領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

無針注射器采用彌散給藥的模式，使藥液在皮膚內(nèi)快速且均勻地被吸收，病人傷口小，出血量少，不易引起交叉感染和環(huán)境污染，注射效率高[6]。其原理為利用機械裝置產(chǎn)生的高壓將藥液經(jīng)過噴嘴形成高速射流穿透皮膚進入皮下組織。1933年，美國醫(yī)生Robert研制出了初代無針注射器[7]。Schramm-Baxter等[8,9]對無針注射器的注射機理做了系統(tǒng)的研究，通過改變無針注射器的射流功率，得到了藥液在皮膚內(nèi)的擴散量、擴散直徑與無針注射器噴嘴直徑的關(guān)系。Baker等[10]對彈簧加載式無針注射器射流過程進行了數(shù)值仿真，不同注射速度所產(chǎn)生的注射效果以及藥液在皮膚內(nèi)的擴散效果有較大差異。Battula等[11]使用人體皮膚模型和染色液體進行了藥液擴散實驗，從實驗和理論兩方面分析了藥液在皮膚內(nèi)的穿透深度和擴散規(guī)律。陳波等[12]對無針注射器建立了數(shù)學(xué)模型，通過模擬射流穿透皮膚后在皮下組織中的擴散過程，得到了注射管內(nèi)藥液射流速度的變化規(guī)律。彭睿[13]對無針注射器射流過程進行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)射流速度大于110m/s時，藥液才能有效地刺穿皮膚到達皮下組織，完成注射要求。

雖然國內(nèi)外學(xué)者通過多種方法優(yōu)化了無針注射器的結(jié)構(gòu)，但目前臨床使用時仍存在注射效率及藥液吸收不穩(wěn)定等問題。本文利用數(shù)值模擬方法，研究了藥液在皮膚內(nèi)的擴散過程，對比分析了不同注射速度對注射效果的影響規(guī)律，獲取了無針注射器射流速度特性。

1 數(shù)值模型

皮膚通常由表皮層、真皮層和皮下組織構(gòu)成。由于藥液在表皮層和真皮層內(nèi)不會擴散，故將二者簡化為相同的介質(zhì)；皮下組織是藥液擴散的主要區(qū)域，數(shù)值仿真時將其簡化為多孔介質(zhì)，即FKLIJG區(qū)域，厚度FK為30mm。由于實際的研究對象為軸對稱結(jié)構(gòu)，因此將其簡化為二維平面模型，計算域網(wǎng)格如圖1所示。圖中ACDB為無針注射器噴嘴區(qū)域，噴嘴半徑即AB為0.125mm；根據(jù)大量文獻的研究結(jié)果可知，藥液注射的第一階段，會形成一個穿透皮膚的等直徑孔洞，即為CGJIHD區(qū)域；CG段為表皮層和真皮層，長度為1.67mm，GJ段位于皮下組織內(nèi)，長度為1.43mm。CEFG區(qū)域為表皮和真皮層，其余部分均為皮下組織層，計算域網(wǎng)格總數(shù)約為10萬。

計算的初始時刻，噴嘴、等直徑孔洞以及皮膚多孔介質(zhì)內(nèi)部區(qū)域的介質(zhì)為空氣，藥液為液體，考慮到藥液在注射過程中有液相與氣相的混合，因此使用VOF模型對兩相流動進行計算。多孔介質(zhì)區(qū)域的孔隙率為0.2，內(nèi)部阻力系數(shù)為200，x和y方向的黏性阻力系數(shù)分別為：6×1011和4×1011。

2 仿真結(jié)果分析

射流速度為160m/s時藥液體積分數(shù)的擴散過程如圖2所示。由圖可知，當(dāng)射入較少劑量的藥液時，其在皮下組織內(nèi)以射流孔洞端點為球心逐漸向周圍擴散。當(dāng)大量藥液進入孔洞后，藥液逐漸向深層皮下組織及皮膚表面擴散，藥液擴散區(qū)域的形狀類似于橢圓形，其中心逐漸向皮膚表面?zhèn)纫苿?。隨著時間的增加，橢圓形面積持續(xù)增加，意味著藥液滲透入皮下組織內(nèi)。

圖2 射流速度為160m/s時藥液體積分數(shù)的擴散過程

圖3中給出了不同時刻藥液體積分數(shù)隨皮膚深度的變化曲線。4×10-5s時刻，藥液未進入皮下組織且流動距離較短，在x=0處，即皮膚與噴管接觸面位置處藥液體積分數(shù)約為0.3。t=6×10-5s時，已有部分藥液流入皮膚內(nèi)部，此時噴管與皮膚接觸面處藥液體積分數(shù)接近為1，皮下組織內(nèi)射流孔洞端點處藥液體積分數(shù)約為0.4。注射時間繼續(xù)增加，皮下組織內(nèi)部藥液體積分數(shù)持續(xù)上升，直到時間達到3×10-3s時，孔洞端點處藥液體積分數(shù)達到1，隨后藥液開始大量的進入皮膚內(nèi)部。

圖3 不同時刻藥液體積分數(shù)隨皮膚深度的變化

圖4中給出了t=3×10-5s和t=4×10-5s時刻不同注射速度下藥液體積分數(shù)隨皮膚深度的變化情況。在圖7(a)中，當(dāng)注射時間為3×10-3s時，注射速度在160～190m/s范圍內(nèi)時藥液的體積分數(shù)與注射深度的變化趨勢基本一致，隨注射深度的增加藥液體積分數(shù)不斷減小，較高的注射速度下藥液擴散的深度更大。當(dāng)注射速度達到200m/s時，在0.005m

圖4 同時刻不同注射速度下藥液體積分數(shù)與注射深度關(guān)系對比圖

以t=3×10-5s時刻為例，分析皮下組織內(nèi)射流孔出口截面(圖1中的IJ線段)壓力分布與注射速度之間的關(guān)系(如圖5所示)。橫軸0點代表圖1中的I點，橫軸0.000125處代表圖1中的J點。可以看出，所有工況下的壓力最大值出現(xiàn)在該截面的圓心，即I點處。注射速度為160m/s時，I點處壓力為3.75MPa；而當(dāng)注射速度為200m/s時，I點處壓力增長為4.5MPa。注射速度每增加10m/s，I點處壓力即增加0.2MPa左右。隨著射流孔出口截面位置半徑的增加，壓力值逐漸減小，且注射速度越大，壓力值衰減越快。直到射流孔外緣(J點)處，不同工況的壓力值基本相同，約為1.47MPa。

圖5 t=3×10-3s時刻，射流孔出口截面壓力的變化規(guī)律

3 結(jié)論

本文使用Fluent軟件，對圓柱形噴嘴無針注射器高壓射流以及藥液在皮膚內(nèi)的擴散過程進行了數(shù)值模擬研究，對比分析了不同注射速度對注射效果的影響。結(jié)果表明：

(1)注射初始階段，藥液劑量較少時以孔洞端點為中心進行擴散，當(dāng)藥液劑量較大時擴散中心向表皮層移動。

(2)注射速度越高，藥液體積分數(shù)曲線的斜率越大，即藥液與皮膚組織的分界面越清晰。

(3)注射速度增大時，皮膚內(nèi)部壓力也會增加，隨注射深度的增加皮膚內(nèi)部壓力逐漸減小，且較高注射速度條件下壓力衰減的更快。