程祝強(qiáng)，劉紅軍，曾永芬，金 毅

（東部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院疼痛科，南京 210002）

0 引言

自動化注射一直是國際上的一個(gè)研究熱點(diǎn)。自動注射泵在臨床已被廣泛應(yīng)用。自動注射器在民用方面主要圍繞胰島素注射筆進(jìn)行研究，其動力源主要有彈簧、高壓氣體、電磁、激光、彈藥等[1]。高壓氣體、電動機(jī)驅(qū)動并不適用于戰(zhàn)場環(huán)境，相比而言機(jī)械結(jié)構(gòu)則更適合特殊的戰(zhàn)場環(huán)境。1959 年，美國研制了一種阿托品（AtroPen，ACE）自動針，該自動針是以彈簧為驅(qū)動的單腔單針注射器[2]。1974 年，美軍又研制出了與ACE 自動針原理一致的大規(guī)格自動注射針，并陸續(xù)研制了MARKⅠ型和Ⅱ型自動注射針、彈簧式雙腔全自動注射針[2]，這種由彈簧驅(qū)動的注射器更具有穩(wěn)定性，更適于戰(zhàn)場環(huán)境。目前，美軍士兵配備的S.O.IFAK 單兵急救包就包含了一種預(yù)填嗎啡的自動注射器，可在最短時(shí)間內(nèi)完成止痛等急救處理，大大提高了傷員的救治效率[3-5]。我軍在鎮(zhèn)痛和重傷急救方面相對薄弱，尤其是在單兵戰(zhàn)傷止痛和自救互救的快速給藥方面還是空白，目前主要是由軍隊(duì)衛(wèi)生員從安瓿瓶中抽取嗎啡或腎上腺素進(jìn)行皮下或肌肉注射，操作步驟煩瑣，救治效率低下[3，6-7]。為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)可單兵攜帶、預(yù)裝填藥液（如嗎啡、腎上腺素、ACE）的戰(zhàn)傷急救經(jīng)皮自給藥裝置，并結(jié)合微針技術(shù)[8]，達(dá)到快速無痛給藥的目的[9]。

1 經(jīng)皮自給藥裝置設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本裝置主要由保險(xiǎn)裝置、驅(qū)動裝置、藥物儲存裝置和微針裝置4 個(gè)部分組成，如圖1、2 所示。

圖1 經(jīng)皮自給藥裝置實(shí)物圖

圖2 經(jīng)皮自給藥裝置結(jié)構(gòu)示意圖

（1）保險(xiǎn)裝置：保險(xiǎn)裝置包含注射桿和注射彈簧凹槽，可防止在跌落、震動、沖擊等情況下驅(qū)動彈簧意外釋放。使用時(shí)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)保險(xiǎn)裝置頂部，打開保險(xiǎn)，向下按壓，觸發(fā)驅(qū)動裝置，內(nèi)部彈簧釋放，推動注射器推桿，當(dāng)推桿與保險(xiǎn)開關(guān)位置同圓心時(shí)，推桿受彈簧推力向下運(yùn)動，完成藥物注射。此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡潔緊湊、強(qiáng)度大、安全性高。

（2）驅(qū)動裝置：參考目前國內(nèi)外的一些自動注射裝置[3-7]，比較而言，在戰(zhàn)場環(huán)境下，彈簧驅(qū)動裝置更優(yōu)于電子驅(qū)動和氣壓驅(qū)動，因此選擇彈簧作為動力驅(qū)動。在設(shè)計(jì)和調(diào)試的過程中，通過觸發(fā)驅(qū)動裝置，測定推桿及儲藥倉在彈簧的作用下產(chǎn)生的動態(tài)壓強(qiáng)變化，既要避免過快的壓力輸出導(dǎo)致的微針和裝置損毀以及注射疼痛，又要保證壓力平緩、持續(xù)地輸出，將儲藥倉內(nèi)的藥物準(zhǔn)確、定時(shí)、定量遞送到皮下。驅(qū)動裝置上端與保險(xiǎn)裝置通過卡扣連接。

（3）藥物儲存裝置：設(shè)計(jì)可預(yù)裝填0.5～2 mL 藥液的儲藥倉，該儲藥倉采用高強(qiáng)度塑料制作，類似注射器針筒結(jié)構(gòu)，由推桿和針筒形成密封結(jié)構(gòu)，同時(shí)將推桿頂部做平齊處理，防止在裝藥和更換儲藥倉時(shí)出現(xiàn)誤操作。預(yù)裝填藥物的儲藥倉不僅有利于不同藥物的快速更換，還有利于節(jié)約資源。藥物儲存裝置與驅(qū)動裝置下端通過螺紋方式連接。

（4）微針裝置：雖然市場上已存在胰島素注射、疫苗接種等無針皮下注射器，但是無針注射僅適用于小劑量藥物注射，難以滿足戰(zhàn)場環(huán)境的密封性要求[10]。微針陣列能較好地適應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境，在保證不造成針尖斷裂的情況下，可滿足快速皮下無痛或微痛注射的需求，同時(shí)可以顯著提高藥物透皮吸收效率[8，11]。微針裝置由2 個(gè)部分組成，上部為分流結(jié)構(gòu)，下部為微針陣列。微針陣列采用圓形排布，開口為背離軸心方向的斜面，使得注射器可以將藥液輸送到比刺穿的皮下面積更大的區(qū)域，并最大程度減弱對痛覺神經(jīng)的刺激，避免高壓噴射藥液直接沖擊皮下組織，而且彌散吸收的效果更好，不易發(fā)生局部積液等影響藥液快速吸收的狀況，利于針孔及皮下組織的恢復(fù)。微針頭部尺寸較小，只有100 μm，且針尖保留足夠強(qiáng)度，在保證刺穿性能的同時(shí)可增加橫向變形抗力，降低針尖斷裂滯留皮下的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 原理

整個(gè)裝置的機(jī)械原理如下：保險(xiǎn)裝置采用錯(cuò)位鎖扣原理，旋轉(zhuǎn)至打開狀態(tài)，向下按壓，卡扣張開，推桿被釋放，同時(shí)處于壓縮狀態(tài)的驅(qū)動彈簧將推桿向前推進(jìn)，進(jìn)一步地推進(jìn)儲藥倉活塞，藥液流入微針陣列并被注射入皮下。注射完畢后，停止按壓，保險(xiǎn)裝置在其內(nèi)部彈簧作用下復(fù)位至保險(xiǎn)打開狀態(tài)。同時(shí)將推桿和驅(qū)動彈簧復(fù)位至擊發(fā)前狀態(tài)，進(jìn)一步將保險(xiǎn)裝置旋轉(zhuǎn)至關(guān)閉狀態(tài)。

2 使用方法

取出本裝置，暴露待注射部位皮膚，如條件許可，對注射部位進(jìn)行酒精消毒；拔除保護(hù)帽，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)保險(xiǎn)裝置至不能再轉(zhuǎn)動，保險(xiǎn)打開；注射時(shí)盡量與注射部位皮膚表面垂直，使所有微針刺透皮膚，再用拇指按下頂蓋，聽到擊打聲后持續(xù)按壓4～5 s，通過觀察窗確認(rèn)液面，完成注射；注射完畢后，垂直向上快速拔出本裝置。

3 經(jīng)皮自給藥裝置性能測試

3.1 注射器推進(jìn)力計(jì)算和測試

采用1、2、5 和10 mL 4 種規(guī)格注射器（內(nèi)徑分別為4.52、8.6、11.5 和14.2 mm），27G、31G、34G 3 種規(guī)格針頭（內(nèi)徑分別為0.2、0.11 和0.06 mm），以及由1～5 個(gè)31G 的開口針頭組合成的5 個(gè)自制針頭進(jìn)行測試。測試前通過流體力學(xué)公式建立模型，計(jì)算得到理論上改變注射器規(guī)格和針頭規(guī)格等變量時(shí)所需要的力的大小。根據(jù)流體力學(xué)伯努利方程ρgh=C，式中，p 為理想流體中某點(diǎn)壓強(qiáng)；ρ 為流體密度；v為該點(diǎn)流體的流速；g為重力加速度；h為該點(diǎn)所在高度；C 為一個(gè)常量）和泊肅葉方程[Q=π×r4×Δp/（8ηL），式中，Δp 為微針兩端的壓力差；η 為液體黏度；r 為微針半徑；L 為微針長度]計(jì)算所需要的力的大小，然后針對在4 s 內(nèi)注射0.5 mL 液體（水）的實(shí)際受力情況，比較理論數(shù)值與注射器的實(shí)際測量數(shù)值。

3.2 抗沖擊及防水性能檢測

制作經(jīng)皮自給藥裝置樣品，根據(jù)GJB 150.8A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第8 部分：淋雨試驗(yàn)》中的“程序Ⅰ-降雨和吹雨”和GJB 150.18A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第18 部分：沖擊試驗(yàn)》中的“程序Ⅲ-易損性”的軍用裝備要求，在蘇州的蘇試廣博環(huán)境可靠性實(shí)驗(yàn)室有限公司進(jìn)行裝置的防水性能檢測（降雨強(qiáng)度：1.7 mm/min；暴露面：所有面；水壓：＞276 kPa；風(fēng)速：18 m/s；預(yù)熱溫度：裝置溫度高于水溫10 ℃；持續(xù)時(shí)間：30 min）和抗沖擊性能檢測（波形：后峰鋸齒波；量級：40g；持續(xù)時(shí)間：11 ms；方向：三軸六向；次數(shù)：3 次/方向）。

3.3 皮膚注射測試

使用3 種不同規(guī)格的彈簧（見表1），采用經(jīng)皮自給藥裝置在離體新鮮羊皮組織（厚度：1.578 mm）和人皮組織（厚度：1.341 mm）上注射0.5 mL 液體。為便于觀察，羊皮組織測試時(shí)使用紅色液體（0.1%羅丹明溶液），人皮組織測試時(shí)使用藍(lán)色液體（0.1%臺盼藍(lán)溶液）。如能夠在4 s 左右將注射液體透過皮膚進(jìn)入皮下脂肪組織，則表明該規(guī)格彈簧為合適的動力裝置。

表1 3 種彈簧的規(guī)格單位：mm

4 經(jīng)皮自給藥裝置性能測試結(jié)果

4.1 注射器推進(jìn)力測試結(jié)果

理論上計(jì)算的壓力值用的是微針半徑，而整體藥物儲存裝置涉及注射筒，因此理論值與實(shí)際測量值的差距較大，如圖3 所示。對不同規(guī)格的針頭進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)34G 的針頭所需施加的力較大，27G 的針頭所需施加的力較小。對不同規(guī)格的注射器進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)10 mL（推進(jìn)3.157 mm）和5 mL（推進(jìn)4.814 mm）的注射器所需施加的力較大，1 mL 的注射器所需施加的力較小，但推進(jìn)距離過長（31.5 mm），影響整個(gè)裝置的設(shè)計(jì)尺寸。綜合考慮注射0.5 mL 液體注射器活塞+彈簧的移動行程配合度，選用2 mL 的注射器（推進(jìn)8.487 mm）和31G 的針頭。自制不同開口針頭數(shù)量的針頭進(jìn)行分析，5 個(gè)針頭時(shí)所需施加的力小，且考慮到實(shí)際注射情況，5 個(gè)針頭有利于防止高濃度藥液在同一點(diǎn)聚集產(chǎn)生對組織的刺激，有利于藥液在注射部位快速注入和擴(kuò)散吸收。最終，得到最佳的注射器針頭與注射器針筒大小的組合模式為2 mL 的注射器和31G 的針頭，一共需5 個(gè)針頭。這種組合有利于防止高濃度藥液在同一點(diǎn)聚集產(chǎn)生對組織的刺激，有利于藥液在注射部位快速注入和擴(kuò)散吸收。

圖3 推進(jìn)力理論計(jì)算數(shù)值與注射泵實(shí)際測量數(shù)值比較

4.2 抗沖擊及防水性能檢測結(jié)果

樣品裝置按照試驗(yàn)條件要求完成了淋雨試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)過程及應(yīng)力施加正確。淋雨試驗(yàn)后裝置內(nèi)部未出現(xiàn)進(jìn)水現(xiàn)象，撞針能正常彈出；沖擊試驗(yàn)后裝置外觀、結(jié)構(gòu)完好，無零部件損壞、斷裂、劃痕現(xiàn)象，撞針處于擊發(fā)前位置，保險(xiǎn)裝置完好，打開保險(xiǎn)后，撞針能正常彈出，注射器注射功能正常，未出現(xiàn)問題。

4.3 皮膚注射測試結(jié)果

根據(jù)離體羊皮（如圖4 所示）和人皮組織（如圖5 所示）的測試結(jié)果，配備①號和②號規(guī)格彈簧的注射裝置都可以有效刺透羊皮和人皮組織，并在4 s 左右將0.5 mL 液體注射到皮下脂肪，達(dá)到快速注射的預(yù)期目的。受限于裝置長度，最終選擇②號規(guī)格的彈簧作為裝置的動力驅(qū)動。

圖4 羊皮組織注射測試

圖5 人皮組織注射測試

5 結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)的經(jīng)皮自給藥裝置的儲藥倉和微針陣列為預(yù)裝填不同藥物的一次性使用裝置，具有使用方便、快捷的特點(diǎn)，有利于防止感染，而且保險(xiǎn)裝置和驅(qū)動裝置能重復(fù)使用，可節(jié)省開支。本裝置通過注射試驗(yàn)及第三方檢測，可快速有效地完成皮下注射，且能滿足戰(zhàn)場環(huán)境的抗沖擊和防水性能要求，對進(jìn)一步增強(qiáng)官兵的戰(zhàn)創(chuàng)傷救治，提供更便捷和優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療支援具有重要意義。但本裝置仍存在一些不足之處：在選材方面需進(jìn)一步考察，選擇能夠適應(yīng)各種戰(zhàn)場環(huán)境的材料；在結(jié)構(gòu)方面可進(jìn)一步優(yōu)化，提高操作的便利性。