無針注射器結構與應用綜述

張軼+王文樂+季惠

摘 要：本文介紹無針注射器的結構特點、動力源及發展前景，重點敘述了無針器的注射機理。注射機理從藥液注射過程、影響注射完成率的因素兩個方面闡述；前景展望從無針注射器現存的弊端、商品化注射器的覆蓋面、我國技術差距三方面展開。

關鍵詞：無針注射；注射機理；應用前景

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.221

當前許多的疫苗和蛋白質藥物注射都采用的針刺注射。盡管針刺注射應用非常廣泛，但是它卻又很多弊端，如恐針癥、針刺傷及針頭的重復使用引起的艾滋病和乙型肝炎。以無針注射器在人類身體上注射高分子液體藥物已經有了很長的歷史。到目前為止，液體噴射注射器被用于許多高分子藥物，也有一部分患者注射紅細胞生長素和干擾素，以及利多卡因、咪達唑侖、氯胺酮等小分子藥物。本文敘述了無針注射器在臨床上的應用過程，也討論影響無針注射器注射機理、效率的影響因素及應用前景。

1 無針注射器簡介

無針注射的工作原理是利用動力源釋放動力后產生的瞬間高壓，推動藥物從微米級的細孔噴出，高速的藥劑穿透皮膚并彌散到皮膚或皮下組織中。由于所產生的射流速度很高，直徑極小，并且進入肌體深度較淺，對神經末梢刺激小，因此不會像有針注射器那樣讓病人有明顯的刺痛感[1]。圖1表示的是無針注射依據注射深度不同劃分的三種注射方式：肌肉注射、皮下注射、皮層注射。無針注射所具有的多項優勢使得這種技術正被越來越多的應用于臨床醫療及家庭保健[2]。

2 無針注射機理

無針注射器利用內部動力的能量將藥液高速射出，高速射流的藥液將刺破皮膚，藥液被注射至目標區域，由于皮膚是各向異性的、非均質材料，用定量的數學模型將注射過程描述出來是非常困難的。

2.1 注射過程

注射過程主要包含兩個部分，見圖3。第一過程中，高速的藥液刺破皮膚，藥液可以達到皮膚的真皮層或者皮下脂肪，在注射皮膚上形成一個洞孔，注射劑量占總量的10%。這一階段類似于高壓水射流切割。首先在高壓射流的作用下，使皮膚表面產生變形，而后在高速表面徑流的作用下造成皮膚撕裂。進而在射流的持續作用下，裂紋擴展，最終皮膚組織內形成一個孔洞。射流在穿越孔洞時受到阻力，速度會持續減小。由于皮膚上孔洞體積增大的速率小于射流進入皮膚的體積流量率，會產生逆流現象。逆流的產生會進一步減緩注入皮膚的射流速度。當形成一定深度的孔洞后，射流在到達孔洞末端時，其速度已減低到不能進一步穿透皮膚時，這時注射深度不再增加。第二個過程是余下注射藥劑以相對較低的速度通過孔洞注入皮膚，持續射流所產生的壓力會使藥液在孔洞末端向周圍擴散。

2.2 注射影響因素

當孔口直徑為152um時，以150m/s的速度可以將90%的藥液注射到皮膚里；注射器孔口直徑范圍為152-229um時，藥液以140-160m/s區間的速度注射，超過90%的劑量被注射到皮膚里。孔徑和藥液出口速度在這個范圍內減少或增加，都會引起注射到皮膚里的劑量百分比的減少。研究同樣發現孔口直徑在31-559um，出口速度在115-200m/s時，注射深度比較理想。根據注射參數的不同，在注射量為100ul時，若注射深度小于1mm，可視為注射深度較淺，若注射深度在2mm-4mm，可視為注射深度較深。當注射量增加時，注射深度也會發生變化。

不同的注射出口速度u（平均速度）和注射孔直徑d組合可能會產生一樣的藥物散布情況。但是僅僅依賴出口速度u和孔口直徑d都無法充分地描述無針注射器注射的特征。可以利用注射功率P（不考慮傳動效率）表示注射噴射的性能：

公式定量地表達了注射器所需的注射功率P與被注射藥物密度、噴口直徑D、注射器藥液出口速度U之間的關系。可以發現，若注射器出口速度增加10倍，那么注射器的功率需要增加1000倍。從圖4可以看出，在間隔距離為1mm時，注射器藥液出口功率功率為30W，超過90%的藥液可以被注射成功。圖5為滲透進皮膚的藥液輪廓也與注射功率有關。

皮膚的物理性能對藥液滲透情況也有很大的影響，皮膚的物理性能包括楊氏模量、破裂的臨界應力、斷裂韌性和硬度。楊氏模量的變化對藥液滲透和藥液的完成程度可以通過實驗測量出來，當楊氏模量增加時，注射深度和注射完成率會降低，當楊氏模量下降3倍時，注射完成率降到10%。

3 無針注射器前景展望

無針注射器在疫苗接種和藥物注射等方面應用廣泛，特別是在大規模疫苗接種方面做出了卓有成效的貢獻，也為恐針癥患者帶來了福音，它沒有傳統注射附加的意外刺傷等。相對于其他吸入藥物的方式，如噴霧劑、藥片，無針噴射注射的好處是基于現有配方進行注射，降低了藥物臨床開發應用時間。

其弊端包括注射后偶發性疼痛、局部不良反應，價格不親民等，這些局限性也促進著無針注射噴射的發展。無針噴射注射過程中最大的變數是個體人群皮膚的不確定性，這些不確定性對注射結果有著重要的影響。當前研究方向要求注射噴射控制策略能穩定這些變異性，保持穩定的噴射過程。但人們還是沒有找到一種可定量描述射流注入皮膚過程的方法，對于這個方面的研究仍有大量工作需要展開。

目前商用化的噴射注射器注射參數差異不大。大部分孔口直徑在150um至300um，噴射速度在100m/s至200m/s，很有必要在這個范圍外的參數組合進行研究，特別是孔徑較小的組合。調查發現，患者偏向于使用小孔徑的注射器，可能是因為注射后不良反應概率較低，但是孔徑小的注射器完成率較低。利用小孔徑注射器實現較高的注射率也將是研究的熱點。

值得一提的是，經檢索國內外專利發現，國外關于無針注射器的專利超過 300 件，國內只有 30 多件，而且多數還是由國外公司申請的，可以說，我國關于無針注射的研究尚處于起步階段，在相關技術領域還存在巨大的空白，急需我們去開發、充實。

參考文獻：

[1]田漢波.淺談無針注射器技術[J].儀器原理，2010（04）：106-107.

[2]彭睿.無針注射器動力學仿真及其注射機理的研究[D].武漢：華中科技大學碩士論文，2010：8-12.endprint