無針注射器注射速度對藥液擴散過程的影響分析

王靜，岳隆，楊濤，郝彩玲，王桂芬，任紅葉，王云飛(通信作者*)

(1.齊魯醫藥學院 臨床醫學院，山東 淄博 255300；2.山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255000)

0 引言

傳統的針頭注射存在注射部位腫脹結痂、疼痛感較強、引起患者恐懼等不良現象[1,2]。若使用后的醫療廢棄物處理不當很可能會引起交叉感染、污染環境等問題[3-5]。此外，普通患者自行使用針頭注射器時操作不便，注射效率低，藥液吸收速度較慢。鑒于以上原因，無針注射器逐漸在醫療領域得到了廣泛應用。

無針注射器采用彌散給藥的模式，使藥液在皮膚內快速且均勻地被吸收，病人傷口小，出血量少，不易引起交叉感染和環境污染，注射效率高[6]。其原理為利用機械裝置產生的高壓將藥液經過噴嘴形成高速射流穿透皮膚進入皮下組織。1933年，美國醫生Robert研制出了初代無針注射器[7]。Schramm-Baxter等[8,9]對無針注射器的注射機理做了系統的研究，通過改變無針注射器的射流功率，得到了藥液在皮膚內的擴散量、擴散直徑與無針注射器噴嘴直徑的關系。Baker等[10]對彈簧加載式無針注射器射流過程進行了數值仿真，不同注射速度所產生的注射效果以及藥液在皮膚內的擴散效果有較大差異。Battula等[11]使用人體皮膚模型和染色液體進行了藥液擴散實驗，從實驗和理論兩方面分析了藥液在皮膚內的穿透深度和擴散規律。陳波等[12]對無針注射器建立了數學模型，通過模擬射流穿透皮膚后在皮下組織中的擴散過程，得到了注射管內藥液射流速度的變化規律。彭睿[13]對無針注射器射流過程進行數值模擬發現，當射流速度大于110m/s時，藥液才能有效地刺穿皮膚到達皮下組織，完成注射要求。

雖然國內外學者通過多種方法優化了無針注射器的結構，但目前臨床使用時仍存在注射效率及藥液吸收不穩定等問題。本文利用數值模擬方法，研究了藥液在皮膚內的擴散過程，對比分析了不同注射速度對注射效果的影響規律，獲取了無針注射器射流速度特性。

1 數值模型

皮膚通常由表皮層、真皮層和皮下組織構成。由于藥液在表皮層和真皮層內不會擴散，故將二者簡化為相同的介質；皮下組織是藥液擴散的主要區域，數值仿真時將其簡化為多孔介質，即FKLIJG區域，厚度FK為30mm。由于實際的研究對象為軸對稱結構，因此將其簡化為二維平面模型，計算域網格如圖1所示。圖中ACDB為無針注射器噴嘴區域，噴嘴半徑即AB為0.125mm；根據大量文獻的研究結果可知，藥液注射的第一階段，會形成一個穿透皮膚的等直徑孔洞，即為CGJIHD區域；CG段為表皮層和真皮層，長度為1.67mm，GJ段位于皮下組織內，長度為1.43mm。CEFG區域為表皮和真皮層，其余部分均為皮下組織層，計算域網格總數約為10萬。

計算的初始時刻，噴嘴、等直徑孔洞以及皮膚多孔介質內部區域的介質為空氣，藥液為液體，考慮到藥液在注射過程中有液相與氣相的混合，因此使用VOF模型對兩相流動進行計算。多孔介質區域的孔隙率為0.2，內部阻力系數為200，x和y方向的黏性阻力系數分別為：6×1011和4×1011。

2 仿真結果分析

射流速度為160m/s時藥液體積分數的擴散過程如圖2所示。由圖可知，當射入較少劑量的藥液時，其在皮下組織內以射流孔洞端點為球心逐漸向周圍擴散。當大量藥液進入孔洞后，藥液逐漸向深層皮下組織及皮膚表面擴散，藥液擴散區域的形狀類似于橢圓形，其中心逐漸向皮膚表面側移動。隨著時間的增加，橢圓形面積持續增加，意味著藥液滲透入皮下組織內。

圖2 射流速度為160m/s時藥液體積分數的擴散過程

圖3中給出了不同時刻藥液體積分數隨皮膚深度的變化曲線。4×10-5s時刻，藥液未進入皮下組織且流動距離較短，在x=0處，即皮膚與噴管接觸面位置處藥液體積分數約為0.3。t=6×10-5s時，已有部分藥液流入皮膚內部，此時噴管與皮膚接觸面處藥液體積分數接近為1，皮下組織內射流孔洞端點處藥液體積分數約為0.4。注射時間繼續增加，皮下組織內部藥液體積分數持續上升，直到時間達到3×10-3s時，孔洞端點處藥液體積分數達到1，隨后藥液開始大量的進入皮膚內部。

圖3 不同時刻藥液體積分數隨皮膚深度的變化

圖4中給出了t=3×10-5s和t=4×10-5s時刻不同注射速度下藥液體積分數隨皮膚深度的變化情況。在圖7(a)中，當注射時間為3×10-3s時，注射速度在160～190m/s范圍內時藥液的體積分數與注射深度的變化趨勢基本一致，隨注射深度的增加藥液體積分數不斷減小，較高的注射速度下藥液擴散的深度更大。當注射速度達到200m/s時，在0.005m

圖4 同時刻不同注射速度下藥液體積分數與注射深度關系對比圖

以t=3×10-5s時刻為例，分析皮下組織內射流孔出口截面(圖1中的IJ線段)壓力分布與注射速度之間的關系(如圖5所示)。橫軸0點代表圖1中的I點，橫軸0.000125處代表圖1中的J點。可以看出，所有工況下的壓力最大值出現在該截面的圓心，即I點處。注射速度為160m/s時，I點處壓力為3.75MPa；而當注射速度為200m/s時，I點處壓力增長為4.5MPa。注射速度每增加10m/s，I點處壓力即增加0.2MPa左右。隨著射流孔出口截面位置半徑的增加，壓力值逐漸減小，且注射速度越大，壓力值衰減越快。直到射流孔外緣(J點)處，不同工況的壓力值基本相同，約為1.47MPa。

圖5 t=3×10-3s時刻，射流孔出口截面壓力的變化規律

3 結論

本文使用Fluent軟件，對圓柱形噴嘴無針注射器高壓射流以及藥液在皮膚內的擴散過程進行了數值模擬研究，對比分析了不同注射速度對注射效果的影響。結果表明：

(1)注射初始階段，藥液劑量較少時以孔洞端點為中心進行擴散，當藥液劑量較大時擴散中心向表皮層移動。

(2)注射速度越高，藥液體積分數曲線的斜率越大，即藥液與皮膚組織的分界面越清晰。

(3)注射速度增大時，皮膚內部壓力也會增加，隨注射深度的增加皮膚內部壓力逐漸減小，且較高注射速度條件下壓力衰減的更快。