腸道診療藥物釋放裝置結構設計

唐小梅

【摘 要】腸道式微型藥丸有深厚的應用背景和廣闊的發展前景，其研究對人類健康意義重大，它為腸道微生態研究和新型藥物的研制提供了重要依據，可以達到在局部產生高藥物濃度，提高吸收效率和療效的目的。

【關鍵詞】腸道式微型藥丸；腸道診療

一、方案設計

為滿足對腸道代謝的研究及腸道疾病診斷和治療的需求，根據胃腸道的生理特點，筆者提出了一種利用可吞服藥丸式微型裝置實現胃腸道藥物釋放的方案，并加工出胃腸道微型藥丸實驗樣機，其整體系統如圖3—1所示。微型藥丸進入人體后，先通過對藥丸在體內位置信息的采集和分析，實現對藥丸的實時定位和位置跟蹤，在需要釋放藥物時，由外界發出控制指令，釋放膠囊內的壓力氣體，擠出藥液。

圖3—2是作者研制出的腸道微型藥丸的結構示意圖，它共包含六部分，其中，充氣裝置利用氣體單向閥的原理為壓力氣體裝置充氣；壓力氣體提供擠出藥液的動力；磁控開啟裝置負責釋放壓力氣體；定位裝置提供位置信息，實現對微型藥丸的位置跟蹤；能源部分對遙控開關及磁控開啟裝置提供電能；遙控開關根據外界的控制信號控制磁控開啟裝置的動作；釋放藥液存儲裝置為待釋放藥物提供存儲空間，并且藥物存儲裝置用具有一定彈塑性的高分子材料制成；同時，在微型藥丸的頭部設計了單向閥，用以作為釋放藥物藥丸內外連通的通道；單向閥采用硬度適中的塑料薄片，其厚度為0.1mm。考慮到微型藥丸應用于人體腸道內部，在此環境下充滿著偏堿性的略微粘稠的腸液，空間較小。所以微型藥丸的殼體材料要具有生物相容性、無毒無害、耐酸堿腐蝕、良好的潤滑性能，且體積要盡量小。在保證機械加工性能和良好的生物親和性的前提下，選用了一種特殊的硬質塑料POM作為外殼材料。

二、藥物釋放結構設計原理

藥物釋放基本工作原理為：在常態下，微型藥丸內具有一定的負壓，避免藥液流出，裝載壓力氣體的裝置裝載了一定壓力的氣體，藥物存儲室內裝滿待釋放的藥液，其容積約為0.18mL，當接到釋放指令后，壓力氣體釋放，通過單向閥釋放藥液。藥物釋放的基本過程是：微型藥丸經口腔進入人體，當進入到人體小腸后，由定位裝置實時采集位置信號，當觀察到微型藥丸到達需釋放藥物部位時，由控制系統體外發射裝置發出動作信號，體內接收裝置在接收到動作指令后，遙控開關接通電源，磁控裝置工作，開啟壓力氣體裝置，釋放壓力氣體，待釋放藥液裝置在氣體擠壓下變形，通過單向閥擠出藥液。

三、藥物釋放過程

藥物釋放是通過磁控開啟裝置開啟壓力氣體，利用壓力氣體的釋放來實現的，其基本工作原理為：在常態下，微型藥丸內具有一定的負壓，避免藥液流出，裝載壓力氣體的裝置裝載了一定壓力的氣體，藥物存儲室內裝滿待釋放的藥液，其容積約為0.18ml。當接到釋放指令后，壓力氣體釋放，通過單向閥釋放藥液。藥物釋放的基本過程是：微型藥丸經口腔進入人體，當進入到人體小腸后，由定位裝置實時采集位置信號，當觀察到微型藥丸到達需釋放藥物部位時，由控制系統體外發射裝置發出動作信號，體內接收裝置在接收到動作指令后，遙控開關接通電源，磁控裝置工作，開啟壓力氣體裝置，釋放壓力氣體，待釋放藥液裝置在氣體擠壓下變形，通過單向閥擠出藥液。

取樣微機電系統的工作原理示意圖如圖3—4所示：

病人在吞服膠囊前，在患處體外的附近放置一永磁體；當病人吞服膠囊后，膠囊隨著胃腸道的自然蠕動向下運行，當到達磁控區域后，磁控開關自動開啟，電源開始工作，接通電磁驅動裝置，產生的電磁力驅動探針刺破壓力氣體裝置，藥物釋放開始。膠囊在體內隨胃腸道蠕動繼續前行，直至排出體外。膠囊為一次性使用品。可見，藥物釋放過程的驅動機構實現的是簡單的直線運動，運動的距離在2mm左右，我們采用探針電磁驅動機構來實現這種運動，采用無纜方式能源鋰錳鈕扣電池作為能源供給實現電磁驅動。根據以上分析，本課題的藥物釋放微機電系統的總體結構方案圖如圖3—5所示：下面對控制系統的結構進行分析。

四、外殼

微型機構要在消化道內安全地運行，其外殼設計須滿足以下幾個基本條件。

①在胃腸道內工作時，要能保證一定的姿態，避免傾覆、扭轉等現象，這需要微機器人的整體結構盡可能對稱，且密封效果良好，既要避免微機器人污染胃腸道，也要防止消化液進入機構內部干擾其正常工作。

②充分考慮胃腸的承受能力，機構外殼不會危害人體的安全，外殼應避免突兀伸出的機構。同時，要實現機器人的取樣功能，在外殼上必須留有取樣小孔。由于取樣小孔是依靠擋板周向密封的，所以小孔的位置應當在機器人的中間圓柱部分，考慮到擋板定位的需要，取樣小孔開在半圓頭和圓柱相交的側邊上。為了保證取得足夠的消化液量，我們在圓周方向開了4個直徑為1mm的均布小孔。

③由于在胃腸道內行進時，必然要與胃腸道發生接觸摩擦，故外殼所用材料應能避免被消化液腐蝕，而且為了完成預定的取樣功能，要求外殼表面具有良好的潤滑性能，盡量減少對表皮細胞的刺激，不損傷黏膜，并在治療過程中減少病人的痛苦。

在保證機械加工性能和良好的生物親和性的前提下，選用了一種特殊的硬質塑料POM作為外殼材料。POM是一種自潤滑材料，具有良好的剛硬性，較好的耐酸堿腐蝕性，優越的耐疲勞性，機械加工性能好，是一種生物惰性分子，生物相融性好，適合作醫用器械。

四、遙控機構

微機器人通過體外的遙控裝置控制體內電源的啟閉，從而控制藥物釋放的過程。遙控裝置采用磁控開關，通過控制外部磁場可控制膠囊的釋放地點及釋放的開始和結束。它可以簡單地隨時啟停，在人體腹部放置永久磁鐵能容易地控制干式舌簧管，不需要時撤除外部磁場即可停止工作。

干式舌簧管簡稱干簧管，是一種有觸點的開關元件，它由一對由磁性材料制造的彈性磁簧組成，磁簧密封于充有惰性氣體的玻璃管中，所以不受外界環境的影響，工作非常穩定。

五、電磁驅動機構

根據設計要求，我們選用螺管式電磁鐵，其電磁吸力除了由鐵芯截面的主磁通產生外，鐵心側面的漏磁通也能產生電磁吸力。微機電系統的探針電磁驅動機構由電磁線圈、線圈軸、鐵心、銜鐵、復位彈簧和擋板組成，通過膠囊內置電池驅動產生的電磁力驅動探針的直線運動，實現對壓力氣體裝置的開啟。

【參考文獻】

[1]胡宗泰.醫用內窺鏡現狀及發展趨勢[J].世界醫療器械，1997.732～33

[2]付國強，梅濤等.無線微型機器人腸道內窺鏡系統中圖像采集與無線傳輸系統的設計[J].光學精密工程，2002.10（6）：615～616