无针注射器注射原理及参数相关研究

Shergold等专家学者通过实验观察提出，无针注射的整个过程分为两步：第一步是1%到10%的药液高速穿透皮肤（真皮层）甚至皮下脂肪，最终在注射部位形成一个孔洞。这一阶段的作用过程，可类比于高压水射流切割。首先在高压射流的作用下，使皮肤表面产生变形，而后在高速表面径流的作用下造成皮肤撕裂。进而在射流的持续作用下，裂纹扩展， 最终皮肤组织内形成一个孔洞。射流在穿越孔洞时受到阻力，速度会持续减小。在这一阶段，由于皮肤上孔洞体积增大的速率(volumetric rate of hole formation)小于射流进入皮肤的体积流量率(volumetric flow rate)，会产生逆流现象。逆流的产生会进一步减缓注入皮肤的射流速度。当形成一定深度的孔洞后，射流在到达孔洞末端时，其速度已减低到不能进一步穿透皮肤时，这时注射深度不再增加。    第二步是余下注射药剂以相对较低的速度通过孔洞注入皮肤，持续射流所产生的压力会使药液在孔洞末端向周围扩散。Wendell等运用自制射流速度曲线可控无针注射器，对注射过程做了更细致的研究，证明了Shergold等的假设，即药液的输入主要发生在无针注射的第二步，这一过程对注射时形成的孔洞深度没有明显影响。
 

无针注射，首先必须选择合适的射流参数以实现对皮肤的穿透。然而由于皮肤参数因人而异，不同年龄的人皮肤参数相差较大，所以很难给出一个精确穿透皮肤所需的起始压力值。一些学者通过大量实验的方法，希望能给出一个比较准确的参考值。Oliver A. Shergold和Norman A. Fleck  通过实验测定：射流直径为0.34mm时，穿透皮肤所需要的射流滞止压力在10-14MPa间。一般而言，当射流直径在0.1-0.5mm变化时，15MPa的射流滞止压力足够穿透人的皮肤。在注射完成后，皮肤表面会留下伤口。

一般认为无针注射的注射质量可从以下三个方面来评价：

射流形成的创口深度，表示射流在皮肤内形成的孔洞深度。创口深度与注射器口径、射流速度、注射剂量、注射时喷嘴与皮肤的间距以及皮肤的属性相关。当射流速度与直径一定时，创口深度随着注射体积的增大而增大直到一个滞止点。当喷口直径变大时，创口深度也会增加，同样射流速度的增加，也会在一定程度上增大创口深度。Schramma-Baxter等依据大量实验总结出一个集总参数射流能Ejet，见公式(1)。公式（1）中，u表示射流速度。Schramma-Baxter认为在试验载体相同的条件下，随射流能的增加，射流所形成孔洞的深度会随之增大。同时大量实验结果也表明，在射流速度和射流直径一定的条件下，孔洞深度会随药剂注入量的增加而增加，而皮肤杨氏模量的增大会减小注射深度。在试验研究的基础上，SchrammaBaxter建立了射流穿透皮肤的理论模型，来预估孔洞深度。但Schramma-Baxter模型存在一个问题，它采用的射流速度为平均值，计算结果与实验结果差别较大。

药液注入完成率

药液注射完成率表示注入体内的实际药液体积与预注射药液体积之比。它与射流速度和直径相关。当射流初始速度过低，射流不能穿透皮肤，而在皮肤表面被反射。或者，穿透深度不足导致较低的注射完成率。但注射速度过高，同样会导致不好的注射效果。这是因为过高的射流速度可能会使注射深度超出预期，同时，还可能因为皮肤来不及吸收注入的药液，导致药液反溅。据Samira Mitragotri[8]统计，现有无针注射器的注射完成率都很难达到100％，在注射初期和末期，总会有药液的损失。

在实际设计中，注射压力数值一般遵循如图2所示的变化趋势。从图中所示的注射过程中可知，最大压力值m现在第一个峰值处，且该峰值必须大于注射穿刺所需的压力，例如图中标示的最大压力值约为26MPa，可以满足皮肤穿刺需求；除最人压力值以外，还要关注该峰值所对应的时问，峰值时问越短，表明穿刺皮肤所用的药液量越少，注射完成率越高。

根据统计各类注射器的注射情况，射流速度在140-160m/s之间，孔径范围在0.152-0.229mm之间时，注射完成率大于90%。当孔口直径在这个范围以外增大或减少时，完成率有轻微的减少，约80%左右。皮肤的属性，对注射完成率也有很大影响，如皮肤杨氏模量增大3倍，会使注射完成率从100%减少到10%。

药液在组织内扩散的几何形貌，包括扩散深度和广度

药液的扩散程度，主要反映的是药液被皮肤吸收的情况。可通过两个参数来衡量：药液扩散的最大宽度Lt，最大宽度处离皮肤表面的距离Lm。其中Lm与创口深度基本一致。

彭睿使用FLUENT软件给构建混合模型(Mixture)，对射流再皮肤中扩散的形貌进行仿真结果与实验结果进行比较分析。

从图4可以看出，仿真结果与实验结果[22]基本吻合，能够反映出药液在皮肤中扩散的主要特征。在射流速度为160m/s，直径为80μm和射流速度为110m/s，直径为160μm两种情况下，射流注入深度较浅，药液在靠近皮肤表面处扩散，这导致射流反溅，降低了药液的注入完成率，如图4.1、4.4所示。当射流速度为160m/s，直径为240μm和射流速度为190m/s，直径为160μm两种情况时，药液注入皮肤较深，流体在皮肤底层扩散得比较开阔，如图4.2、4.4所示。实验结果中药液在靠近入口处也有扩散，但在仿真中药液却主要是以孔洞端部为中心向四周扩散。仿真结果与实验结果的不同，原因有两个，首先在孔洞的形成过程中，有药液的扩散；另外，实际中射流的速度是随时间逐渐减小为0的，而仿真中速度为常数。所以实际中射流进入皮肤的深度会逐渐变浅，扩散的中心自然比仿真中更快移向皮肤表面。 

从实验与仿真的结果来看，药液射流在穿透皮肤后，主要以孔洞的端部为点源向四周发散。药液在皮肤层的扩散图案近似为一个球形，或者是部分球形。通过数值仿真还可以观察到，药液首先集中以孔洞的端部为中心扩散，随着注射量的增大，扩散中心会逐步向皮肤表面移动，如图4.95所示。这其中主要的原因是，当扩散发生一段时间后，药液在孔洞端部扩散阻力增大，导致孔洞中压强增大，使得射流注入深度减小，扩散中心也随之移向皮肤表面。

通过对比仿真结果与实验结果，得出药液在皮层的扩散形貌图案近似为球形，或者半球既说明了无针注射为弥散注射。