外文翻译--无针注射器数值模拟和工作特性分析

附录 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 无针注射器数值模拟和工作特性分析 ui . 要 ： 采用 到了注射管内药液驱动压强和药液射流速度的变化规律。模拟了药液射流在空气中的演化过程，以及射流穿透皮肤，在皮肤层和皮下组织层扩散的全过程。数值结果与实验定性结果一致。 关键词 ： 无针注射器；药液射流；皮肤；穿刺 1 引言 无针注射是指利用机械装置产生的瞬问高压，推动药剂 (液体或冻干粉 )经过 一个微米级大小的喷嘴，形成高速射流，代替针头穿透皮肤进入皮下组织。无针注射具有无针痛、无交叉感染、使用方便等优点。 无针注射技术可避免酸、酶对药物的破坏及突破皮肤角质层吸收障碍，无首过效应，具有较高的生物利用度，适用于局麻药、镇痛药、心血管药物、抗肿瘤、抗肝炎药物等多种类型的药物，特别是对酸、酶不稳定的生物大分子药物，可替代普通注射剂局部或全身给药，用于多种疾病的预防和治疗。普通注射剂吸收迅速、生物利用度高，对于在胃肠道不稳定、首过效应显著的药物往往是唯一的选择，但注射途径给药不可避免产生组织损伤而降低患者 顺应性，使用不便且存在交叉感染的风险。为此，大量的药物制剂研究人员投入到非注射途径给药系统的研究中，试图解决不稳定药物，尤其是生物药物的制剂学瓶颈。 无针注射器是由 937年研制的， 1941年首次用于疫苗及胰岛素的注射中。此后无针注射器的研究和开发应用得到长足发展。无针注射药液穿透皮肤深度主要取决于针孔直径和出口射流速度两个参数。这两个参数的实验研究和理论分析以及无针注射器的流体力学数值研究 们对无针注射器的性能改进和优化设计具有重要意义。本文利用 程进行流体力学计算模拟，并与实验结果比较，为新型无针注射器的研发和性能优化提供依据。 无针注射适合多种类型的药物，诸如利多卡因、流感疫苗、艾滋病疫苗、乙型肝炎疫苗、胰岛素等市场分额巨大的药物已进入或将进入临床研究，在不久的将来可推向市场，未来经济利润极其可观，其中利多卡因无针粉末注射剂的预计市场销售额可达 70亿美元。另一方面，目前研究表明，可单次或重复使用的无针粉末注射器的成本可望与现有市售的预填充式注射器持平，将进一步促进此项技术的推广与普及，具有良好的发展潜力和市场前景。 2 无针注射器的计算模型 无针注射器内腔的几何结构如图 1所示。无针注射器的注射药液体积一般为 0 1口射流孔直径约为 100 200口射流速度大约为 100 200m/s。流动雷诺数为 10 100，可以认为是层流流动。不可压缩流体的连续性方程为 ) 0 (式中， 黏性不可压缩流体的 21()v v f p v (式中， 式 (式 (不可压缩黏性流体流动的基本方程。其中体积力，可以不考虑。由于 析解基本不可能求得，数值模拟是研究无针注射流体动力学过程的重要手段。 3 边界问题和求解过程 对注射器入口处的药液液面施加初始压强户 流出口的压强为大气压，利用有限体积法可求得注射器出口处在 v，再根椐连续性方程可得到入口处平均速 度。 由于药液液面推进，压缩弹簧放松，使得药液的驱动压强减小。由入口平均速度=tn+ 针筒内壁面的摩擦阻力与药液液面推进速度成正比，由新时刻药液驱动压强 ，可以计算新时刻的药液推进速度口和出口射流速度。重复计算，可以得出注射器药液驱动压强和出口射流速度随时问变化的曲线图。 4 数值算例及结果分析 工作介质为水，注射腔长度 L=28径 流口孔径 52体的密度 p=1000kg/动黏度 v=s。无针注 射器的计算网格如图 2所示，共有 4500个四边形单元、 5566个节点。由于注射器边壁和出口处的压强和速度变化非常大，因此，需对网格进行充分细化，以保证计算精度。 图 2 无针注射器计算网格图 随着药液的推进，压缩弹簧放松，驱动压强迅速下降，药液推进速度和出口射流速度也快速衰减。三组不同射流速度条件下的药物驱动压强及出口射流速度衰减过程如图 3图 5所示。图 3中出口最大速度为 s，图 4中出口最大速度为 150m/s，图 5出口最大速度为 200m/s。 3 最大出口速度为 图 4 最大出口速度为 图 5 最大出口速度为 20Om/从图 3图 5可以看出，压缩弹簧一旦放松，药液很快失去驱动力，药液注射在瞬间完成 (毫秒级的注射时间 )。药液注射所施加的初始药液驱动压强和注射时间如表 1所示。 由于药液体积量很小，且射流速度大，持续时间极短，因此重力不影响射流运动。数值结果表明：射流在空中成一直线，药液集中在一条细长的轨道上。在 v=100m/物射流与周围气体有少量的混合扩散； v=200m/流与周围气体几乎不扩散混合，药液集中度很高，只有射流的正前端和空气激烈碰撞摩擦，有明显的扩散现象。 5 药液射流穿透皮肤的数值模拟 无针注射的实验表明：在注射时，高速射流首先穿透皮肤，形成一个孔洞，随后药液通过孔洞在皮肤中扩散。射流在皮肤产生孔洞的现象很早就被发现，但是对孔洞深度的研究很少。药液射流孔洞的深度决定了药液的注射效果和病人 的疼痛感。实验证明，随着射流针孔直径和射流速度的增加，穿孔深度会相应加大。药物射流在皮下穿透扩散结果以文献 7， 8的实验结果为依据，利用 计算中，注射器射流针孔的直径为 52孔到皮肤空气隔离层距离是 肤的厚度随年龄、人体部位不同而异，平均约为 们取 3似认为皮肤是各向同性的均匀多孔渗透介质 (实际皮肤并非均匀介质 )，计算采用了三维轴对称条件，只需要计算任意角度的一个剖面上的流动即可 。 可为三个区域： 针孔与皮肤之间的空气隔离层； 皮肤层，为多孔介质区域； 皮肤下面的人体肌肉组织，也是多孔介质区域，但理化性质与皮肤层不同。由于多孔介质对流体的阻力作用，流体在多孔介质中流动时，流体的动量会逐渐损失。 在每次注射剂量为 0 07流出射速度分别为 50m/s、 100m/s、 150m/s、 200m/药液射流在皮肤层穿透扩散的效果进行了数值模拟，如图 6图 8所示，并与文献 7， 8中的实验结果进行了比较。 a)数值结果 (b)实验结果 图 6 射流速度 为 50m/ 药物射流在皮下穿透扩散结果 实验表明，高速射流对皮肤有穿透作用，在穿透的终点处形成一个孔洞，可以近似认为是一个点源。从这点开始，药液向四周扩散。数值结果表明，药液在皮肤层的扩散图案近似一个球形，或者是部分球形。在射流速度为 50 100m/于药液射流速度较低，药液没有穿透皮肤层，如图 7、图 8所示。 (a)数值结果 (b)实验结果 图 7 射流速度为 物射流在皮下穿透扩散结果 图 8 射流速度为 150m/物射流在皮下穿透扩散结果 模拟结果与文 献 7， 8的实验结果大致符合。当出口处射流速度为 150m/流刚好穿透皮肤，由于穿透点在皮肤的底层附近，流体在皮肤底层扩散得比较开阔。当出口处射流速度为 200m/流穿透了皮肤层，大部分药液进入皮下组织层。 6 结论 本文采用 到了注射管药液驱动压强和出口射流速度的变化规律、药液射流在空气中的演化过程、射流穿透皮肤深度、药液在皮肤层和皮下组织层的扩散过程。数值结果与实验定性结果一致，具有可比性。