外文翻譯--無針注射器數(shù)值模擬和工作特性分析

附錄 of ui . of to of of in in as as of of to of by to or a to a of to No no no of of to of no to as of of to or a of of in of is of to in of is of To a of in of an to of as 937, 941 of by to on of of of as as on of to of In on FD & D a of as as a of or in to in of of up to On be or of to be to of of 2 of as . is of 00 200of 00 200m / s. 0 100, be as ) 0 (p is of t is v V 21()v v f p v (p is v of f is a be As a of of be is to an of 3 to of on at to on to be in a tn v, be as a of to to 1 = vt of of is to of at by a 1, be to of be of at 4 = 28 5 152p = 1000kg/v = s. as , a 500 5566 of a of of is in to . of s to in to of of a of of . in 00m / s, 50m / s, 00m / s. to of is is so in a on of s at of 50m / s at of 00m / s at At v = 100m / s, a of v = 200m / s, is a of is is an of 5 of of No to a in of in of of s as in of To 7,8 on of of 1of to 152to is of in of an of We mm as of is to of (is a to an to It is as as of to of of in a , in a 0m / s, 100m / s, 150m / s, 200m / s, of on of of as 7,8 of (a) (b) . 0m / s to in of a a is of on to of a or In 0 100m / s, to , . (a) (b) of s, in of . 50m / s, in of 7,8 in 50m / s, as a of in of of in 00m / s, of of 6 In of to of in in of of 37- on of 無針注射器數(shù)值模擬和工作特性分析 ui . 要 ： 采用 到了注射管內(nèi)藥液驅(qū)動壓強和藥液射流速度的變化規(guī)律。模擬了藥液射流在空氣中的演化過程，以及射流穿透皮膚，在皮膚層和皮下組織層擴散的全過程。數(shù)值結(jié)果與實驗定性結(jié)果一致。 關(guān)鍵詞 ： 無針注射器；藥液射流；皮膚；穿刺 1 引言 無針注射是指利用機械裝置產(chǎn)生的瞬問高壓，推動藥劑 (液體或凍干粉 )經(jīng)過 一個微米級大小的噴嘴，形成高速射流，代替針頭穿透皮膚進入皮下組織。無針注射具有無針痛、無交叉感染、使用方便等優(yōu)點。 無針注射技術(shù)可避免酸、酶對藥物的破壞及突破皮膚角質(zhì)層吸收障礙，無首過效應，具有較高的生物利用度，適用于局麻藥、鎮(zhèn)痛藥、心血管藥物、抗腫瘤、抗肝炎藥物等多種類型的藥物，特別是對酸、酶不穩(wěn)定的生物大分子藥物，可替代普通注射劑局部或全身給藥，用于多種疾病的預防和治療。普通注射劑吸收迅速、生物利用度高，對于在胃腸道不穩(wěn)定、首過效應顯著的藥物往往是唯一的選擇，但注射途徑給藥不可避免產(chǎn)生組織損傷而降低患者 順應性，使用不便且存在交叉感染的風險。為此，大量的藥物制劑研究人員投入到非注射途徑給藥系統(tǒng)的研究中，試圖解決不穩(wěn)定藥物，尤其是生物藥物的制劑學瓶頸。 無針注射器是由 937年研制的， 1941年首次用于疫苗及胰島素的注射中。此后無針注射器的研究和開發(fā)應用得到長足發(fā)展。無針注射藥液穿透皮膚深度主要取決于針孔直徑和出口射流速度兩個參數(shù)。這兩個參數(shù)的實驗研究和理論分析以及無針注射器的流體力學數(shù)值研究 們對無針注射器的性能改進和優(yōu)化設計具有重要意義。本文利用 程進行流體力學計算模擬，并與實驗結(jié)果比較，為新型無針注射器的研發(fā)和性能優(yōu)化提供依據(jù)。 無針注射適合多種類型的藥物，諸如利多卡因、流感疫苗、艾滋病疫苗、乙型肝炎疫苗、胰島素等市場分額巨大的藥物已進入或?qū)⑦M入臨床研究，在不久的將來可推向市場，未來經(jīng)濟利潤極其可觀，其中利多卡因無針粉末注射劑的預計市場銷售額可達 70億美元。另一方面，目前研究表明，可單次或重復使用的無針粉末注射器的成本可望與現(xiàn)有市售的預填充式注射器持平，將進一步促進此項技術(shù)的推廣與普及，具有良好的發(fā)展?jié)摿褪袌銮熬啊?2 無針注射器的計算模型 無針注射器內(nèi)腔的幾何結(jié)構(gòu)如圖 1所示。無針注射器的注射藥液體積一般為 0 1口射流孔直徑約為 100 200口射流速度大約為 100 200m/s。流動雷諾數(shù)為 10 100，可以認為是層流流動。不可壓縮流體的連續(xù)性方程為 ) 0 (式中， 黏性不可壓縮流體的 21()v v f p v (式中， 式 (式 (不可壓縮黏性流體流動的基本方程。其中體積力，可以不考慮。由于 析解基本不可能求得，數(shù)值模擬是研究無針注射流體動力學過程的重要手段。 3 邊界問題和求解過程 對注射器入口處的藥液液面施加初始壓強戶 流出口的壓強為大氣壓，利用有限體積法可求得注射器出口處在 v，再根椐連續(xù)性方程可得到入口處平均速 度。 由于藥液液面推進，壓縮彈簧放松，使得藥液的驅(qū)動壓強減小。由入口平均速度=tn+ 針筒內(nèi)壁面的摩擦阻力與藥液液面推進速度成正比，由新時刻藥液驅(qū)動壓強 ，可以計算新時刻的藥液推進速度口和出口射流速度。重復計算，可以得出注射器藥液驅(qū)動壓強和出口射流速度隨時問變化的曲線圖。 4 數(shù)值算例及結(jié)果分析 工作介質(zhì)為水，注射腔長度 L=28徑 流口孔徑 52體的密度 p=1000kg/動黏度 v=s。無針注 射器的計算網(wǎng)格如圖 2所示，共有 4500個四邊形單元、 5566個節(jié)點。由于注射器邊壁和出口處的壓強和速度變化非常大，因此，需對網(wǎng)格進行充分細化，以保證計算精度。 圖 2 無針注射器計算網(wǎng)格圖 隨著藥液的推進，壓縮彈簧放松，驅(qū)動壓強迅速下降，藥液推進速度和出口射流速度也快速衰減。三組不同射流速度條件下的藥物驅(qū)動壓強及出口射流速度衰減過程如圖 3圖 5所示。圖 3中出口最大速度為 s，圖 4中出口最大速度為 150m/s，圖 5出口最大速度為 200m/s。 3 最大出口速度為 圖 4 最大出口速度為 圖 5 最大出口速度為 20Om/從圖 3圖 5可以看出，壓縮彈簧一旦放松，藥液很快失去驅(qū)動力，藥液注射在瞬間完成 (毫秒級的注射時間 )。藥液注射所施加的初始藥液驅(qū)動壓強和注射時間如表 1所示。 由于藥液體積量很小，且射流速度大，持續(xù)時間極短，因此重力不影響射流運動。數(shù)值結(jié)果表明：射流在空中成一直線，藥液集中在一條細長的軌道上。在 v=100m/物射流與周圍氣體有少量的混合擴散； v=200m/流與周圍氣體幾乎不擴散混合，藥液集中度很高，只有射流的正前端和空氣激烈碰撞摩擦，有明顯的擴散現(xiàn)象。 5 藥液射流穿透皮膚的數(shù)值模擬 無針注射的實驗表明：在注射時，高速射流首先穿透皮膚，形成一個孔洞，隨后藥液通過孔洞在皮膚中擴散。射流在皮膚產(chǎn)生孔洞的現(xiàn)象很早就被發(fā)現(xiàn)，但是對孔洞深度的研究很少。藥液射流孔洞的深度決定了藥液的注射效果和病人 的疼痛感。實驗證明，隨著射流針孔直徑和射流速度的增加，穿孔深度會相應加大。藥物射流在皮下穿透擴散結(jié)果以文獻 7， 8的實驗結(jié)果為依據(jù)，利用 計算中，注射器射流針孔的直徑為 52孔到皮膚空氣隔離層距離是 膚的厚度隨年齡、人體部位不同而異，平均約為 們?nèi)?3似認為皮膚是各向同性的均勻多孔滲透介質(zhì) (實際皮膚并非均勻介質(zhì) )，計算采用了三維軸對稱條件，只需要計算任意角度的一個剖面上的流動即可 。 可為三個區(qū)域： 針孔與皮膚之間的空氣隔離層； 皮膚層，為多孔介質(zhì)區(qū)域； 皮膚下面的人體肌肉組織，也是多孔介質(zhì)區(qū)域，但理化性質(zhì)與皮膚層不同。由于多孔介質(zhì)對流體的阻力作用，流體在多孔介質(zhì)中流動時，流體的動量會逐漸損失。 在每次注射劑量為 0 07流出射速度分別為 50m/s、 100m/s、 150m/s、 200m/藥液射流在皮膚層穿透擴散的效果進行了數(shù)值模擬，如圖 6圖 8所示，并與文獻 7， 8中的實驗結(jié)果進行了比較。 a)數(shù)值結(jié)果 (b)實驗結(jié)果 圖 6 射流速度 為 50m/ 藥物射流在皮下穿透擴散結(jié)果 實驗表明，高速射流對皮膚有穿透作用，在穿透的終點處形成一個孔洞，可以近似認為是一個點源。從這點開始，藥液向四周擴散。數(shù)值結(jié)果表明，藥液在皮膚層的擴散圖案近似一個球形，或者是部分球形。在射流速度為 50 100m/于藥液射流速度較低，藥液沒有穿透皮膚層，如圖 7、圖 8所示。 (a)數(shù)值結(jié)果 (b)實驗結(jié)果 圖 7 射流速度為 物射流在皮下穿透擴散結(jié)果 圖 8 射流速度為 150m/物射流在皮下穿透擴散結(jié)果 模擬