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1、杭州电子科技大学硕士学位论文摘要随着现代生物医药技术的不断发展，人们对药物输送方式及效果提出了更高的要求。由于透皮给药较传统给药系统具有明显的优势，已成为药物输送系统研究热点。为了突破皮肤屏障进行药物释放，研究人员开发出无针注射技术及微针技术，并获得了临床应用。本文对无针注射技术和微针技术进行深入研究。研究内容分成相对独立的两部分：第一部分研制了一种电磁力驱动的无针注射系统，该系统具有结构简单、双向运行、压力可控等特点，有效地克服了传统无针注射技术的缺陷；本文第二部分构建了一种基于微针阵列的微注射系统，并对其注射机理进行了研究，为新微注射系统的产品研发打下了基础。论文总共分为6 章，各章主要内
2、容如下：第l 章，阐述了课题研究的背景和意义，详细介绍了两种透皮给药系统的国内外研究现状及发展趋势，并提出了本文研究的内容。第2 章，介绍了电磁力驱动装置的设计原理，并对无针注射系统的机械结构进行了设计，最后结合驱动装置对电路的要求以及对注射过程的分析，设计出无针注射系统的控制电路。第3 章，对基于无针注射系统的喷射注射机理进行了理论研究，建立了喷射注射的喷射压强与系统参数(如喷孔、腔体尺寸、音圈驱动器放电电压等)之间的理论模型，实验结果与理论模型相吻合。同时搭建7 N 量喷射压强的实验系统，并对喷射压强进行了动态测试。本章最后对所构建的无针注射系统进行了动物注射实验。第4 章，建立一个基于微
3、泵和微针阵列的微注射系统模型，并通过研究该系统在软体材料内的注射机理，建立液体扩散模型。该模型可以计算扩散直径随时间的变化值。第5 章，搭建了微注射系统，根据微泵的控制原理设计系统控制电路，并进行了性能测试。最后对软体进行穿刺扩散实验，实验结构与理论模型基本一致。第6 章，对全文进行了总结，提出研究中的创新之处，并指无针注射系统和微注射系统还存在的问题及其研究方向。关键词：透皮给药；无针注射；喷射压强；微针阵列；软体材料杭州电子科技大学硕士学位论文A B S T R A C TW i t hc o n t i n u o u s l yd e v e l o po fm o d e mb i
4、o l o g i c a lm e d i c i n a lt e c h n o l o g y,p e o p l eb r i n gf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rd r u gd e l i v e r ym e t h o d sa n de f f e c t C o m p a r e d、析t l lt r a d i t i o n a lt r a n s d e r m a ld r u gd e l i v e r ys y s t e m，t r a n s d e r m a ld r u
5、 gd e l i v e r yh a so b v i o u sa d v a n t a g e sa n dh a sb e c o m eaf o c u so fs t u d yo nd r u gd e l i v e r y I no r d e rt ob r e a kt h r o u g ht h es k i nb a r r i e rf o rd r u gr e l e a s e，t h er e s e a r c h e r sd e v e l o p e dt h en e e d l e-f r e ei n j e c t i o nt e c
6、 h n o l o g ya n dm i c r o n e e d l et e c h n o l o g y,a n da c c e s st ot h ec l i n i c a la p p l i c a t i o n I nt h i sp a p e r,f u r t h e rs t u d i e sw e r ec a r r i e do u to nn e e d l e-f r e ei n j e c t i o nt e c h n o l o g ya n dm i c r o n e e d l et e c h n o l o g y 1 f
7、1 1 ec o n t e n tW a Sd i v i d e di n t ot w oi n d e p e n d e n tp a r t s I nt h ef i r s tp a r t，an e e d l e-f r e ei n j e c t i o ns y s t e mp o w e r e db ye l e c t r o m a g n e t i cf o r c eW a si n v e s t i g a t e d,t h ec u r r e n ts y s t e mh a df e a t u r e ss u c ha ss i m
8、p l es t r u c t u r e，d o u b l ed i r e c t i o nm o v e m e n La n dc o n t r o l l a b l ed r i v i n gf o r c e，a n do v e r c a m ed i s a d v a n t a g e so ft h ec o m m o nn e e d l e f r e ei n j e c t i o ns y s t e m T h es e c o n dp a r tb u i l tam i c r o-i n j e c t i o ns y s t e m
9、b a s e dm i c r o n e e d l ea r r a y,a n dt h ei n j e c t i o nm e c h a n i s mw a ss t u d i e d，t h ep r e s e n tw o r kh a dl a i dt h ef o u n d a t i o no ft h ep r o d u c td e v e l o p m e n to ft h em i c r o-i n j e c t i o ns y s t e m T h et h e s i si sd i v i d e di n t o6c h a p
10、 t e r s T h em a i nc o n t e n t si ne a c hc h a p t e ra r ea sf o l l o w s：C h a p t e r1d e s c r i b e dt h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h,t h er e s e a r c hs i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h et w od r u gd e l i v e r ys y s
11、 t e m sw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l e d,a n dt h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ep r e s e n t e dC h a p t e r2i n t r o d u c e dd e s i g np r i n c i p l e so fe l e c t r o m a g n e t i cf o r c ea c t u a t o r,a n dt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo fn e e d l
12、 e-f r e ei n j e c t i o ns y s t e mw a sd e s i g n A tl a s t，c o n t r o lc i r c u i to ft h en e e d l e-f r e ei n j e c t i o ns y s t e mw a sd e s i g nb yc o n c e r n i n gr e q u i r e m e n t sf o ra c t u a t o ra n da n a l y s i so ft h ei n j e c t i o np r o c e s s I nC h a p t
13、e r3，at h e o r e t i c a lm o d e lW a se s t a b l i s h e dt Oe v a l u a t et h ei n j e c t i o np r e s s u r eu n d e rs y s t e mc o n d i t i o n s(n o z z l ed i a m e t e r,a m p o u l ed i m e n s i o n，v o i c e-c o i ld i s c h a r g i n gv o l t a g e，e t c)A ne x p e r i m e n t a ls
14、 y s t e mW a ss e tu pt Om e a s u r et h ei n j e c t i o np r e s s u r ed y n a m i c a l l y T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sm a t c ht h ep r e d i c t e dv a l u e sg i v e nb yt h et h e o r e t i c a lm o d e l F i n a l l y,i n v i t r oi n j e c t i o n su s i n gt h ec u r r e n
15、 tn e e d l e f r e es y s t e mw e r ec a r r i e do u tw i t l ln e e d l ei n j e c t i o n sa sc o n t r 0 1 I nC h a p t e r4，am i c r o-i n j e c t i o ns y s t e mm o d e lb a s e dm i c r o-p u m pa n dm i c r o n e e d l ea r r a yW a se s t a b l i s h e d，l i q u i dd i f f u s i o nm o d
16、 e lW a se s t a b l i s h e db yr e s e a r c h i n gt h ei n j e c t i o nI I I杭州电子科技大学硕士学位论文m e c h a n i s mo nt h es o f ts o l i dm a t e r i a l，t h em o d e lw a sa b l et oc a l c u l a t et h et i m e-v a r y i n ge x p a n s i o nr a d i u s C h a p t e r5b u i l tt h em i c r o-i n j e c
17、 t i o ns y s t e m，c o n t r o lc i r c u i to ft h es y s t e mw a sd e s i g n e db yc o n t r o lt h e o r yo fm i c r o-p u m p，a n dp e r f o r m a n c et e s th a db e e nm a d e F i n a l l y,d i f f u s i o ne x p e r i m e n to nt h es o f ts o l i dm a t e r i a lw a sm a d e，t h ee x p e
18、 r i m e n t a lr e s u l t sa l m o s tm a t c h e dt h ep r e d i c t e dr e s u l t sg i v e nb yt h et h e o r e t i c a lm o d e l I nC h a p t e r6，a l lt h ew o r ki nt h i st h e s i sw a ss u m m e du p，p r o p o s e di n n o v a t i o n so ft h es t u d y,a n dt h ee x i s t i n gp r o b l
19、 e m sa n dt h ef u t u r er e s e a r c h e so nt h en e e d l e-f r e ei n j e c t i o ns y s t e ma n dam i c r o n e e d l ed r u gd e l i v e r ys y s t e mw e r ei n v o l v e d K e y w o r d s：T r a n s d e r m a lD r u gD e l i v e r y；N e e d l e-f r e eI n j e c t i o n；I n j e c t i o nP
20、r e s s u r e；M i c r o n e e d l e；S o f tS o l i dM a t e r i a lI V杭州电子科技大学硕士学位论文第1 章绪论随着现代生物医药技术的不断发展，人们对精确给药及给药方式的便捷性、耐受性等提出了更高的要求。透皮给药重新成为新一代药物输送系统的研究热点。透皮给药较传统给药系统具有明显的优势，具体表现为：药物吸收不受消化道内的p H 值、食物以及药物在肠道移动时间等复杂因素的影响；避免了药物在肝脏的首过效应；可产生持久、恒定及可控的给药速度和血药浓度，减少给药次数和剂量，从而减轻不良反应；提高了药物的生物利用度；用药部位在体表，使用
21、和中断给药方便等【1 1。然而，由于天然皮肤屏障的原因，大多数药物分子通透皮肤的能力极差，大分子亲水性药物如胰岛素尤其如此。因此，目前最普及的透皮给药方式：药物贴片的给药效果并不理想。多年来人们应用化学渗透促进剂和物理协助两大类手段进行了大量的工作，力图克服皮肤屏障，以实现透皮给药。但这些方法均存在不同缺点，如易造成皮肤过敏、不能有效促进大分子药物透皮等【2 J。近年来，科研人员在利用传统机械电子能量穿透皮肤屏障进行药物释放量的技术上进行了创新，开发出的技术包括离子导入贴片技术、超声技术、微针技术以及喷射注射技术等【3 一，其中无针注射技术及微针技术由于取得实质进展而正在临床上获得应用。本课题
22、从内容上分成相对独立的两部分：第一部分研究一种由电磁力驱动的无针注射技术，包括系统的物理建模、系统设计、系统测试和动物实验；第二部分研究一种微注射系统，同样系统的物理建模、系统设计、系统测试和实验。1 1 课题研究背景及意义1 1 1 电磁力驱动的无针注射系统的研究背景及意义无针注射技术起源于上世纪3 0 年代，由机械工程师A r n o l dS u t e r m e i s t e r 与R o b e r tH i n g s o n 医生共同研制出最早的无针注射器，经过七十多年的发展，无针注射技术不断更新，产品的应用范围也逐步扩展【5】。常用的无针注射技术是一种通过压缩弹簧或压缩气体
23、产生高速射流，由微型喷孔直接射入皮下组织的给药技术。图1 1 为典型无针注射系统的示意图。图1 1 典型无针注射系统的示意图1杭州电子科技大学硕士学位论文由于无针注射技术摆脱传统注射器的缺点，并且表现出注射无疼痛感、注射安全、药物注射吸收好、操作方便、减少医疗垃圾和“白色”污染等特点，使其在医疗及保健方面的应用日益广泛【6 7】。无针注射器按照安瓿(灌装药物)的使用次数，分为一次性使用的无针注射器和多次使用的无针注射器。用于人体注射的多是一次性使用的，其中某些是部分一次性(安瓿为一次性使用，推射装置可反复使用)，有些则是整体一次性【8 l。用于动物注射的基本是反复使用的无针注射系统。目前无针注
24、射系统的动力源主要包括三类：l、压缩气体，2、弹簧，3、压电材料。但由这三类驱动的无针注射系统存在的问题目渐凸显，比如注射剂量小，驱动力难以控制。另外由压缩弹簧或压缩气体驱动的无针注射系统在实现动物注射自动吸药、连续注射的同时往往存在着系统结构复杂、可控性不强的问题1 9】。为了克服动力不足的缺陷，研究人员做了一些尝试。2 0 0 6 年，T a b e m e r 等【1 0 l 利用高功率密度音圈直线驱动器作为动力构建无针注射系统，从而产生足以穿刺皮肤的喷射驱动力。因为电磁推动力的大小可以通过放电电容和音圈进行控制和调节，并且电容充电和释放均在瞬间完成，因此该技术不仅解决了目前无针注射系统
25、存在的上述问题，并且具有结构简单，容易控制的特点。本文第一部分将在T a b e m e r 等人的基础上，通过机械结构设计和控制电路设计，实现该技术的系统化开发，并提出基于电磁力驱动的无针注射技术的理论模型，旨在对该技术的喷射性能进行深入研究，最后还将进行系统测试和动物实验。1 1-2 微针注射系统的研究背景及意义为了决角质层阻碍药物渗透这一问题，研究人员在上世纪7 0 年代提出了微针的概念，但直到9 0 年代随着微制造技术的发展才真正制造出微针。微针是指直径为几十微米，长度在1 0 0 1 a m 以上的针状结构，它可在皮肤上创造微米级药物运输通道，允许大分子药物通过，穿刺深度仅在角质层，
26、未接触到神经末梢，不产生痛觉1 1 1,1 2】。微针按内部结构可以分为：实体微针和空心微针。实体微针通过表面附着药物达到透皮给药的目的，可增加皮肤的渗透性，可用于转运蛋白质、多肽等。空心微针通常与微泵连接用于控制药物的注射计量，适合于微量药物、基因、蛋白质或疫苗等液体制剂的透皮注射 1 3-1 5】。图1 2 为美国乔治亚州理工学院的科学家们研究的两种微针。微针阵列是由若干个微针组成，由于微针阵列突破了皮肤角质层对药物传输的限制，减少了患者的痛苦，方便给药，并且可以通过控制系统进行实现精确、微量给药，因此在医药领域获得了广泛的应用i 1 1,1 6 J。利用空心微针阵列注射药物也称为微注射，
27、一般与流量控制元件微泵和控制电路连接，用于将微量药物精确、持续、有效的输入到人体内。目前典型的压电薄膜微型泵，通过驱动电压促使薄膜压缩振动，可以控制高精度的流量。2杭州电子科技大学硕士学位论文图1 2 两种典型的微针最近的研究表明：由于皮肤内的低流体传导性，液体获得较大流动速率比较困难，并且一般微针插入到达的是真皮层，真皮层的紧缩性也增加了流动的阻力1 1 7 1 8】。目前涉及微针的理论研究模型绝大数着眼于实体微针刺穿皮肤的过程，对微注射与皮肤之间的相互作用以及皮下微注射的特性缺乏详细描述I l9 1。对于空心微针也多是研究其体外的实验性能，很少有理论模型描述皮肤内的微注射流动特性。S h
28、e r g o l d 和F l e c k l 2 0 J 建立了一种穿刺体穿刺软体材料的软体穿刺模型。这种软体材料被认为是符合单项O g d e n 应变能方程所描述的具有不可压缩、超弹性、各向同性的。根据软体穿刺模型研究微注射系统与皮肤之间的影响参数，以及了解皮肤内的微注射情况，将为微注射系统的设计提供理论性的指导和科学性的依据，也会促进微针注射技术的推广。因此本文第二部分将对微注射机理进行研究，建立软体材料内的液体扩散模型，并搭建基于微泵和微针阵列的微注射系统，进行性能测试及软体注射实验。1 2 国内外研究现状和发展趋势1 2 1 无针注射技术的国内外研究现状和发展趋势目前无针注射技术
29、在外国研究比较深入，研究的内容可大致分为两部分：喷射注射机理的研究和动力装置的研究。无针注射技术在液体注射方面的应用虽然已有多年，但对喷射注射机理的研究直到近几年才开始1 2 1 1。2 0 0 2 年，S c h r a m m 和M i t r a g o t r i1 2 2 1 通过对两种模型(人体皮肤模型和猪皮模型)喷射研究得出液体喷射渗透与喷孔直径和喷射速度之间的关系。B a x t e r、K a t r e n c i k 和M i t r a g o t r i t o l 2 3 J 通过喷射注射仿人体皮肤材料凝胶实验，将注射过程分为三个阶段，并研究了穿刺深度和扩散宽度与材
30、料杨氏模量之间的关系。2 0 0 4 年，B a x t e r和M i t r a g o t r i 2 4 1 又研究了喷射功率与射流穿透深度和扩散宽度的关系，研究同时表明注射完全度(进入体内的药液占全部药液的百分比)取决于喷孔的直径和喷射速度，在一定范围的喷射速度(1 4 0-1 6 0 m s)和喷孔直径(1 5 2-2 2 9 1 a m)之间，注射完全度(进入体内的药液占全部药液的百分比)可达9 0 以上。S h e r g o l d、F l e c k 和K i n g t 2 5】对喷射射流穿刺软体材料进行了研究，并对预计压力模型进行试验验证。3杭州电子科技大学硕士学位论文
31、无针注射的动力装置中，弹簧是被较早使用和较为常见的一种动力源，这是因为高强度弹簧口J 以产生足够的注射压力。H y p o s p r a y(r)是最早一代以弹簧为动力的无针注射器，其喷射孔直径在7 5 1 2 5 岬之间【5 1。B a k e r 和S a n d e r l 2 6 研究了以弹簧为的动力液体无针注射器喷射时的机械影响因素。由于压缩气体可以瞬时产生高压可推动活塞，也被用于作为无针注射系统的动力源，高压气体可选择高压氦气，高压二氧化碳，高压氮气。2 0 0 7 年，A r o r a,C h e n 等人【2 7 2 8】报道了将压电叠堆驱动器应用于喷射注射技术研究，并取得
32、了实验进展，由于该压电驱动器输出的位移较小，因而单次喷射剂量很小。这样喷射注射处于微喷射状态，可以有效地控制注射深度。近年来国内对无针注射技术也进行了大量的研究，程云章等1 2 9 J 对以C 0 2 为动力的无针注射系统进行了深入研究。北京3 0 2 医院周旭等【2 0,3 1】研究了一种用于疫苗注射的粉末无针注射给药系统，陈凯等【3 2】设计了一个用于动物疫苗注射的无针注射系统，另外的一些研究也大多针对以弹簧或气体为动力源的无针注射系统的理论研究与设计1 3 弼引。无针注射技术在药物及疫苗的输送方面有着显著的影响，作为免疫工程的重要组成部分和大分子给药有着突出的历史地位【2 1 1。然而无
33、针注射技术尽管有超过5 0 多年的临床使用，但并没有充分发挥其作用，这主要是有一些限制因素，如：偶有疼痛，注射存在不适和局部反应【3 6】，结构复杂，使用不方便，药物应用的范围有限，生产和制造成本相对高，注射剂量小等。正是这些方面的不足，为今后无针注射技术的研究和发展提供了指引。同时大量体夕L 基础研究表明对于不同的皮肤机械特性喷射注射有显著的差异，【2 3 1，而皮肤的复杂结构和个体差异限制了体内喷射注射进一步研究，因此研究喷射注射与皮肤机械特性的关系，建立体内注射预测模型也是未来研究和发展趋势之一。无针注射技术具有较小创伤性、减少交叉污染等优势，势必成为预防医学、临床医学以及农牧业的一项新
34、技术、新方法。1 2 2 微针技术的国内外研究现状和发展趋势微针作为一种全新的经皮给药技术，已经收到越来越多的关注。第一批微针由L i w e iL i n 等1 3 7】在上世纪9 0 年代利用M E M S 技术制造出来的。H e n r y 等1 3 8】首次使用微针阵列进行透皮给药，将固体微针插入人体尸皮中，微针创造的通道增加了药物的渗透。M c A l l i s t e r 等【3 9,4 0 禾1 J 用光刻和反应离子刻蚀技术制造空心硅微针，发现可以使胰岛素、牛血清蛋白和直径为1 0 0 n m 左右的橡胶纳米微粒通过，证实微针具有增强透皮给药的有效性。K a u s h i k
35、 等【4 l】将微针和注射针分别插入受试者皮肤下，证实微针插入造成的疼痛感小。M u k e r j e e 等【4 2 j 将利用硅晶片制成空心微针，并将之与注射系统连接形成微通道，用于提取生物液体的。试验表明，微针可穿透皮肤的角质层，并且可重复插入而不会断裂。G o m a a 等1 4 3】通过皮下水分的损失研究了微针的长度，密度，以及注射时间对加强通过药物通量的影响。L v，Z h a n g 等，4 5】研究了利用微针阵列进行透皮给药输送中，初始注射下，药物的扩散情况。L e e，C h u 等【4 6,4 7】最近有报道了将一种可溶解的高分子聚合4杭州电子科技大学硕士学位论文物用于
36、制造微针的针管，这种新型的针管在刺入皮肤时会被体液溶解。Y 锄g 等【4 8】构建了一种基于流量控制的微针注射系统，并研究了初始注射下微针在仿人体材料内的扩散情况。国内上海交通大学的李以贵等【4 9】采用移动L I G A 工艺对微针阵列进行了设计与加工。中科院理化研究所的高云华1 4】也使用了微针阵列进行了药物输送研究。浙江大学傅新等【5 0】采用硅微加工技术(湿法腐蚀方法)制作出长度适中的微针，能穿透皮肤的角质层，又刺激不到深层组织的神经。华中科技大学与吉林大学联合开发了基于微针与压电泵的胰岛素输送系统，但样机指标一般，离临床应用还有较大的距离。微针技术作为一种新型的透皮给药方式，虽然在微
37、针的制造工艺及实验研究中取得了明显的进步，但目前微针技术的研究还处于初期阶段，离实际的临床应用还有一定的距离。这也反映出目前微针技术的研究仍存在不足，而未来的研究和发展必将围绕解决这些不足展开，主要表现在如下几方面：(1)微针的使用。微针在插入皮肤过程会出现折断，处理不当将影响安全；微针插入的力度过重也会导致疼痛；这些都要求对微针刺入皮肤的机理进行深入研究，为微针的设计和使用提供理论上的指导。并且微针的使用次数以及在人体的停留时间也需要待进一步研究。(2)微针的制造。制造微针必须考虑其加工工艺，制造成本和材料的安全性。目前微针的制造材料主要有硅材料、金属材料和聚合物材料，但是硅材料的高成本、金
38、属材料与生物相容性一般以及聚合物材料的机械性一般都限制了它们被广泛应用。随着新型材料的不断涌现，新材料的微制造研究将是近年发展的方向。(3)微针技术的实验研究。目前的微针技术大多是都是通过体外实验和动物实验得出其注射的有效性和安全性。没有产品运用于实际临床研究，因此其在临床上的安全和有效性值得进一步研究。(4)微针的应用。人类对微针的要求不止于穿刺角质层增加渗透【5，更希望它能够与微流体控制装置、化学分析仪器、医疗器械及自反馈给药【5 2】等涉及药物控制、分析和传输的设备集成。利用控制系统对给药系统进行精确定量，实时监测，反馈控制。随着不断的深入研究，微针技术作为一种无痛、微创、快速、方便、高
39、效的透皮给药方式，必定会有越来越广泛的应用前景。1 3 本文的主要研究工作针对两种新型透皮给药技术无针注射技术和微针注射技术目前存在的问题，本文将分别对这两种透皮给药技术进行深入研究。(1)无针注射技术的研究工作：1)新型无针注射系统的设计，通过分析音圈电机的设计原理，研制一种新型的驱动力装置，并设计相应的控制电路。根据注射药剂的剂量以及满足自动吸药这一特点，5杭州电子科技大学硕士学位论文设计注射器安瓿部分。最后整合出一种结构简单、驱动力可控、剂量可调、可连续注射的液体无针注射系统。2)对基于新型驱动力的无针注射系统进行物理建模，推导出能够反映无针注射喷射压强与系统物理参数之间关系的数学表达式
40、。3)搭建无针注射系统喷射压强检测系统，检验所建物理模型是否正确。通过检测系统与理论模型结合，分析对无针注射系统喷射能够产生影响的系统物理参数。最后对动物进行喷射注射，观察液体注射到体内的扩散情况。(2)微针注射技术的研究工作：1)构建基于微泵和微针阵列的微注射系统模型，对系统进行流体的能量守恒分析，建立系统的物理模型。并在软体穿刺模型的基础上，构建微注射系统在软体材料内注射液体的扩散模型。通过带入系统物理参数，对模型进行仿真计算。2)搭建基于微泵和微针阵列的微注射系统，根据微泵控制原理自制控制电路，并对微注射系统进行性能测试。3)利用所搭建的微注射系统进行仿人体皮肤材料注射实验，通过实验验证
41、所建模型的合理性。1 4 本章小结本章首先阐述了本课题的研究背景及研究的意义，并分别介绍无针注射技术和微针注射技术的国内外研究状况及发展趋向。通过分析这两种新型经皮给药系统目前存在的问题以及研究的不足，明确了本文的主要研究内容和目标。6杭州电子科技大学硕士学位论文第2 章基于电磁力的无针注射系统的设计现行的无针注射器利用高速液体射流对人体或动物进行药物注射，其已应用到人体的胰岛素注射、动物的疫苗注射。对动物进行疫苗注射需要在短时间内进行大规模注射，因此在装药方面必须方便，因而在设计方面需要满足可以自动吸药，连续注射。并且由于动物的种类以及年龄的不同，动物的皮肤差异性较大，这要求注射器可以控制驱
42、动力的大小。因此，无针注射系统的设计可分为两大部分：安瓿的设计和动力装置的设计。本课题设计的无针注射系统包括一个可以在固定的永磁体外双向运动的线圈(动力装置)，一个含有活塞推杆、前端有喷孔以及一个单向阀通道的注射筒(安瓿)，以及一个释放电流、改变电流方向的控制电路。该系统具有能够完成自动吸药、连续注射、喷射压强高及携带方便等特点。动力装置的设计是按照音圈电机的设计原理来现实，图2 1为无针注射系统机械部分的结构示意图。图2 1 注射器机械装置结构示意图2 1 电磁力驱动原理众所周知，电磁力相互作用是自然界四大相互作用力之一。一个稳定的电流在导线中流过，能在导线周围产生一个静磁场，但不断消耗电能
43、。磁力机械就是一类使用永磁或电磁的机械装置，它有着悠久的历史，但是直到稀土永磁出现后才得以真正的形成一个新的领域。磁力具有很多优点，如易于控制、节约能源、减少污染、结构简单、加工容易等【5 3】。磁力机械有多种传递运动方式，包括直线运动、旋转运动、复合运动以及其他一些特殊运动。音圈电机(V o i c e c o i lM o t o r)就是一种特殊形式的利用磁力机械直接驱动电7杭州电子科技大学硕士学位论文机，其工作原理是通电线圈在磁场内就会产生力(安培力)，力的大小与施加在线圈上的电流成比例关系，基于此原理设计的音圈的电机运方式可以为直线或者圆弧【5 4】。如图2 2 为直线音圈电机的结构
44、图。在如图的音圈电机中，音圈即是绕在线圈支撑架上的管状线圈。铁磁圆柱内部产生磁场穿过线圈到永磁铁，这样的设置是为了与音圈相贴的永磁具有同样的磁性，铁磁圆柱中心与线圈支撑在同一轴心线上，线圈支撑可以直线运动，永磁固定在铁磁圆柱的另一端。图2 2 直线音圈电机结构图音圈电机工作原理是依据安培力原理，即通电导体放在磁场中，就会产生力安培力F，力的大小取决于磁场强度B、电流，、导线在磁场中的长度，以及磁场和电流的方向夹角”J。如果有根长度为，的导线在磁场中，则作用在导线上的力为：F=N I B Is i n 0(2 1)本文通过分析音圈电机的设计原理，以及考虑到注射器的注射要求，结构的合理性和制造成本
45、，设计符合本文要求的无针注射系统的驱动装置电磁力驱动装置，其结构示意图如图2 3。同时根据电磁理论知识可知，对管状线圈绕组通电，内部产生磁场。将圆柱形永磁体置于线圈绕组之内并相对固定，则能够促使通电线圈绕组整体运动。砬场图2 3 电磁力驱动装置结构示意图8杭州电子科技大学硕士学位论文圆柱形永磁体两端产生的磁场如图2 4。磁场的磁感应线方向在各点都是相互垂直的，以达到最大，由图示分析可以知，通过线圈电路方向与即9=-9 0 0，根据公式(2 1)可知，电磁力可F=N I B I(2 2)当通电线圈绕组产生足够大的力可使管状线圈绕组整体直线移动。改变线圈绕组的通电方向后，线圈绕组又可以反方向移动。
46、这样就形成了一种可以往复运动的直线驱动装置。安培力大小的具体计算情况将在第3 章中进行介绍。图2 4 圆柱型永磁体两端产生的磁场根据文献【2 5 可知，喷射体注射的压强达到15 M P a 即可穿透人体皮肤，而对于动物注射需要更高的压强，因此要求驱动装置有足够大的力。根据驱动装置中电磁力产生原理，一个稳定的、高磁性磁铁对驱动装置起了至关重要的作用。永磁材料被越来越多的应用到磁力机械。永磁材料指的是被外磁场磁化以后，去掉外磁场后仍然保持着较强的剩磁的磁性材料。由于磁源科学的进步，永磁材料的性能不断提高，由古老的各种永磁合金到铁氧体，由永磁铁氧体到稀土钻永磁材料，近几年，发展钕铁硼叫d F e B
47、)稀土永磁材料，圆环形钕铁硼稀土永磁如图2 5。图2 5 劂环型钕铁硼稀土永磁材料9杭州电子科技大学硕士学位论文钕铁硼永磁材料按磁极化强度矫顽力大小分为低矫顽力N，中等矫顽力M，高矫顽力H，特高矫顽力S H，超矫顽力U H。钕铁硼永磁有如下优点：1)磁性能高，磁能积(B H)m为铁氧体永磁材料的5 一1 2 倍，目前磁性能最高，有“磁王”之称；它的矫顽力相当于铁氧永磁材料的5 1 0 倍。潜在磁能极高，能吸起相当于自身重量的6 4 0 倍的重物。2)资源丰富，价格较低。它的主要原料铁(占2 3)非常便宜，所用稀土为钕(占1 3)、资源比较丰富。3)它的力学性能比钐钴永磁材料和铝镍永磁材料都好，
48、可进行切前加工和钻孔【5 3】0钕铁硼永磁体可产生稳定的、高磁场强度的磁场，符合电磁力驱动装置的设计要求。钕铁硼永磁还有许多其他的特性。宁波百盛磁业有限公司的钕铁硼材料特性如表2 1。本文选用的测试材料选用此公司的N 4 2 钕铁硼材料。表2 1 钕铁硼材料的特性2 2 无针注射器的初步结构设计2 2 1 音圈直线驱动装置本文利用音圈电机的直线运动的原理来设计无针注射系统的动力装置，推射液体药物高速从微型喷孔中射出。因此动力装置也被称为音圈直线驱动装置(V o i c e c o i lL i n e a rA c t u a t o r)。驱动力的大小可通过改变电流的大小来实现，而驱动装置的
49、运动方向利用电流方向来改变。根据音圈直线驱动装置的设计原理，可将驱动装置分成主要的两部分：缠有线圈的绕线体和固定磁铁的夹套。线圈绕组是通过音圈电机内线圈的构成方法自行设计和缠绕的，线圈绕组也称为音圈。其中用于支撑及固定线圈的部件称之为绕线体，也称之为骨架，如图2 6 所示。制造音圈的骨架要求刚性好、薄，具有耐热性、耐温性、难燃。综合考虑设计的绕线体采用铝材加工设计，密度小、且方便加工。圆柱上的凹处用于缠绕1 0杭州电子科技大学硕士学位论文线圈，左边端部圆柱与注射器安瓿端相连。图2 6 绕线体三维模型缠绕在绕线体上的线圈是绝缘的漆包线。漆包线是绕组线的一个主要品种，由导体和绝缘层两部组成，裸线经
50、退火软化后，再经过多次涂漆，烘焙而成。本装置采用的漆包线是铜线，直径为0 3 6 m m，铜线上单位长度的电阻值为O 2 1 3 甜m，在绕线体上我们缠绕的圈数为6 圈。使用铜线的长度大概为6 5 m，故电阻值大约为1 4 Q。用于固定钕铁硼永磁体的夹套也由两部分组成，强磁轴及强磁套，如图2 7 是固定央套的三维图及实物图。三维图中白色部分被认为是由多个圆环形钕铁硼永磁体(如图2 5 所示)组成的永磁铁，套进强磁轴后，通过强磁轴的端部螺纹与强磁套相连。强磁套将与注射器外壳装置连接固定。考虑永磁铁的磁性很强，对其他部件有一定的干扰；并且需要让永磁体产生的磁感应线穿过自行缠绕的线圈绕组后，返回到圆