無(wú)針注射器的研制

郎淇　黃榮意　宋云博　謝建鋒　文強(qiáng)　王桂龍

摘 要：今天，我們?nèi)匀皇褂酶鞣N不銹鋼注射器將液體藥物注入人體。然而，在注射期間不可避免地對(duì)患者造成皮膚損傷，交叉感染和疼痛，而且醫(yī)護(hù)人員在進(jìn)行誤操作時(shí)也會(huì)帶來(lái)危險(xiǎn)，特別是在對(duì)特殊病人進(jìn)行注射操作時(shí)更是如此。與傳統(tǒng)的針頭注射器相比，無(wú)針注射是一種新型的注射方法，具有操作簡(jiǎn)單，消除交叉感染，無(wú)痛，吸收性好等優(yōu)點(diǎn)。并且產(chǎn)品適應(yīng)力、實(shí)用性更強(qiáng)，使用范圍也相對(duì)更廣，可以裝載包括胰島素、青霉素、局部麻藥等一系列皮下注射藥品，且注射安全迅速，擁有無(wú)限的皮下注射市場(chǎng)前景。因此，無(wú)針注射器的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力彈簧的選擇 觸發(fā)器的設(shè)計(jì) 總體的設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH789文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-9082（2020）02-0-01

一、無(wú)針注射器簡(jiǎn)介

由于法國(guó)科學(xué)家在19世紀(jì)提出了“無(wú)針注射”的概念，許多學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)不需要針頭的先進(jìn)注射器。并依靠推力使藥液成為高速噴射液體，并將其注射到患者的組織中。近年來(lái)，無(wú)針注射作為一種新型醫(yī)用注射技術(shù)已逐漸應(yīng)用于臨床，皮下注射。無(wú)針注射的原理是液體藥物通過(guò)機(jī)械壓力和高速射流直接注射到人體組織中，而不用金屬針頭。由于沒(méi)有針頭，解決了傳統(tǒng)注射的缺點(diǎn)。由于機(jī)械壓力的作用，液體藥物以非常小的直徑高速噴射。由于液體的性質(zhì)，藥物在進(jìn)入人體時(shí)以霧的形式擴(kuò)散，不會(huì)形成藥池，并且在整個(gè)注射過(guò)程中對(duì)組織幾乎沒(méi)有損傷。藥物的分布相對(duì)均勻，有利于對(duì)液體藥物的吸收。

二、無(wú)針注射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)針注射的機(jī)械原理為：當(dāng)壓縮彈簧啟動(dòng)時(shí)，將連桿向前推。包含液體藥物的安瓿底部的活塞由于壓力被彈出，液體從安瓿瓶前面的小孔中被排出。藥液在壓力作用下，注射到皮下組織實(shí)現(xiàn)無(wú)針注射。與其他方式的無(wú)針注射技術(shù)相比，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備小巧，處理簡(jiǎn)單，使用方便且使用時(shí)不會(huì)產(chǎn)生噪音。

1.動(dòng)力彈簧的選擇

在無(wú)針注射器中，動(dòng)力彈簧應(yīng)具有大的形變能量，彈簧體積小，壓縮量小但動(dòng)力大，并且工作穩(wěn)定不易發(fā)生塑性形變。因此，我們選用金屬圓柱形螺旋彈簧，其剛度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造作為動(dòng)力源。最終確定使用304不銹鋼材料和彈簧鋼。

2.觸發(fā)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)工程應(yīng)力的分析，選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的機(jī)械機(jī)構(gòu)，作為觸發(fā)裝置。其工作原理是：彈簧壓縮儲(chǔ)能后，沖擊活塞在棘輪棘爪的作用下處于工作狀態(tài)，棘爪繞鉸鏈軸向上轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)爪可以滑過(guò)棘輪的牙齒。為了避免在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沖擊活塞和棘爪之間發(fā)生碰撞，沖擊活塞的前端應(yīng)設(shè)計(jì)成錐形，同一棘爪的前端也應(yīng)加工有一定的傾斜度。杠桿式觸發(fā)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。在本文中，滑塊驅(qū)動(dòng)裝置用于驅(qū)動(dòng)棘爪，從而保證了安全性。

3.缸筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

缸筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是無(wú)針注射器的重要組成部分。其主要功能是安裝動(dòng)力彈簧，沖擊活塞，觸發(fā)裝置和藥物儲(chǔ)存安瓿。其主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接決定了無(wú)針注射器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和成本以及外觀。缸筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)基于以下三個(gè)要求：

（1）重量輕、尺寸小、外觀簡(jiǎn)潔、美觀。

（2）易于加工制造，在氣缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，滑塊與棘爪支架和氣缸之間的連接是至關(guān)重要的。

（3）方便拿握和使用。

4.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從整體的角度分析系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1根據(jù)裝配關(guān)系、各部件的相對(duì)位置以及整體的美觀性，完成總體設(shè)計(jì)和布局，使系統(tǒng)能夠滿足各種功能的要求。力求實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外觀美觀。本文設(shè)計(jì)的彈簧動(dòng)態(tài)無(wú)針注射器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，整體美觀，符合設(shè)計(jì)要求。（如圖1）

三、總結(jié)與展望

1. 全文總結(jié)

一百年前，法國(guó)科學(xué)家提出了無(wú)針注射的大致概念。西方國(guó)家非常重視無(wú)針注射技術(shù)。國(guó)外進(jìn)行了大量的研究和臨床試驗(yàn)。目前，已有100多種不同大小的無(wú)針注射器廣泛應(yīng)用于皮下注射，如接種疫苗，美容注射和胰島素注射等領(lǐng)域。中國(guó)的無(wú)針注射技術(shù)仍處于研發(fā)階段。提升中國(guó)在高科技制藥行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力具有積極意義。現(xiàn)將本文研究成果總結(jié)如下：

（1）闡述了無(wú)針注射的注射原理。

（2）采用工程設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)分析了無(wú)針注射器的結(jié)構(gòu)，制定了可行的設(shè)計(jì)方案。

（3）設(shè)計(jì)了氣動(dòng)無(wú)針舵機(jī)，并對(duì)氣動(dòng)無(wú)針舵機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析。結(jié)果表明，氣動(dòng)無(wú)針注射器的注射性能優(yōu)于彈簧式無(wú)針注射器。

（4）創(chuàng)新設(shè)計(jì)了機(jī)械可拆卸式無(wú)針注射器，并對(duì)機(jī)械無(wú)針注射器進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明其注射性能優(yōu)于傳統(tǒng)注射器。

2.展望

本文設(shè)計(jì)的彈簧式無(wú)針注射器和氣動(dòng)無(wú)針注射器的力學(xué)性能分析只能反映注射性能。另外無(wú)針注射的技術(shù)難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)出可以在瞬間加壓的動(dòng)力裝置，隨著材料科學(xué)的發(fā)展以及動(dòng)力裝置的進(jìn)步，對(duì)合金材料進(jìn)行深入研究，這種新型動(dòng)力器件應(yīng)用于無(wú)針注射領(lǐng)域，這是無(wú)針注射技術(shù)的必然趨勢(shì)。

找到最大沖擊力，沖擊活塞和安瓿活塞桿之間存在一定的間隙，而沖擊過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)態(tài)問(wèn)題。需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)解決間隙的最佳距離。

這種新型動(dòng)力裝置用于無(wú)針注射領(lǐng)域，是氣動(dòng)無(wú)針注射器商業(yè)化的重要組成部分。如何將控制開(kāi)關(guān)與氣缸體結(jié)合起來(lái)既安全又可靠，美觀大方，是本文后續(xù)工作的重點(diǎn)。

目前為止安瓿瓶的設(shè)計(jì)和研發(fā)處于起步階段，但是國(guó)家已經(jīng)高度重視安瓿瓶的研發(fā)和設(shè)計(jì)，相信在很短時(shí)間之內(nèi)，功能完善的安瓿瓶便會(huì)出現(xiàn)在無(wú)針注射領(lǐng)域中。

3.發(fā)展前景

無(wú)針注射器在疫苗接種和胰島素藥物注射以及寵物疫苗的注射等方面應(yīng)用廣泛，也為恐針癥患者帶來(lái)了福音。根據(jù)近幾年來(lái)全世界對(duì)注射器行業(yè)消費(fèi)的分析表明：注射器類是醫(yī)療機(jī)構(gòu)臨床使用次數(shù)最多的醫(yī)療機(jī)械。

參考文獻(xiàn)

[1]田漢波.淺談無(wú)針注射技術(shù)[J].儀器原理，2010，31（4）：106—107.

通訊作者：王桂龍，30116085@qq.com。