无针注射器结构与应用综述

张轶+王文乐+季惠

摘 要：本文介绍无针注射器的结构特点、动力源及发展前景，重点叙述了无针器的注射机理。注射机理从药液注射过程、影响注射完成率的因素两个方面阐述；前景展望从无针注射器现存的弊端、商品化注射器的覆盖面、我国技术差距三方面展开。

关键词：无针注射；注射机理；应用前景

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

当前许多的疫苗和蛋白质药物注射都采用的针刺注射。尽管针刺注射应用非常广泛，但是它却又很多弊端，如恐针症、针刺伤及针头的重复使用引起的艾滋病和乙型肝炎。以无针注射器在人类身体上注射高分子液体药物已经有了很长的历史。到目前为止，液体喷射注射器被用于许多高分子药物，也有一部分患者注射红细胞生长素和干扰素，以及利多卡因、咪达唑仑、氯胺酮等小分子药物。本文叙述了无针注射器在临床上的应用过程，也讨论影响无针注射器注射机理、效率的影响因素及应用前景。

1 无针注射器简介

无针注射的工作原理是利用动力源释放动力后产生的瞬间高压，推动药物从微米级的细孔喷出，高速的药剂穿透皮肤并弥散到皮肤或皮下组织中。由于所产生的射流速度很高，直径极小，并且进入肌体深度较浅，对神经末梢刺激小，因此不会像有针注射器那样让病人有明显的刺痛感[1]。图1表示的是无针注射依据注射深度不同划分的三种注射方式：肌肉注射、皮下注射、皮层注射。无针注射所具有的多项优势使得这种技术正被越来越多的应用于临床医疗及家庭保健[2]。

2 无针注射机理

无针注射器利用内部动力的能量将药液高速射出，高速射流的药液将刺破皮肤，药液被注射至目标区域，由于皮肤是各向异性的、非均质材料，用定量的数学模型将注射过程描述出来是非常困难的。

2.1 注射过程

注射过程主要包含两个部分，见图3。第一过程中，高速的药液刺破皮肤，药液可以达到皮肤的真皮层或者皮下脂肪，在注射皮肤上形成一个洞孔，注射剂量占总量的10%。这一阶段类似于高压水射流切割。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。由于皮肤上孔洞体积增大的速率小于射流进入皮肤的体积流量率，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。第二个过程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。

2.2 注射影响因素

当孔口直径为152um时，以150m/s的速度可以将90%的药液注射到皮肤里；注射器孔口直径范围为152-229um时，药液以140-160m/s区间的速度注射，超过90%的剂量被注射到皮肤里。孔径和药液出口速度在这个范围内减少或增加，都会引起注射到皮肤里的剂量百分比的减少。研究同样发现孔口直径在31-559um，出口速度在115-200m/s时，注射深度比较理想。根据注射参数的不同，在注射量为100ul时，若注射深度小于1mm，可视为注射深度较浅，若注射深度在2mm-4mm，可视为注射深度较深。当注射量增加时，注射深度也会发生变化。

不同的注射出口速度u（平均速度）和注射孔直径d组合可能会产生一样的药物散布情况。但是仅仅依赖出口速度u和孔口直径d都无法充分地描述无针注射器注射的特征。可以利用注射功率P（不考慮传动效率）表示注射喷射的性能：

公式定量地表达了注射器所需的注射功率P与被注射药物密度、喷口直径D、注射器药液出口速度U之间的关系。可以发现，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。从图4可以看出，在间隔距离为1mm时，注射器药液出口功率功率为30W，超过90%的药液可以被注射成功。图5为渗透进皮肤的药液轮廓也与注射功率有关。

皮肤的物理性能对药液渗透情况也有很大的影响，皮肤的物理性能包括杨氏模量、破裂的临界应力、断裂韧性和硬度。杨氏模量的变化对药液渗透和药液的完成程度可以通过实验测量出来，当杨氏模量增加时，注射深度和注射完成率会降低，当杨氏模量下降3倍时，注射完成率降到10%。

3 无针注射器前景展望

无针注射器在疫苗接种和药物注射等方面应用广泛，特别是在大规模疫苗接种方面做出了卓有成效的贡献，也为恐针症患者带来了福音，它没有传统注射附加的意外刺伤等。相对于其他吸入药物的方式，如喷雾剂、药片，无针喷射注射的好处是基于现有配方进行注射，降低了药物临床开发应用时间。

其弊端包括注射后偶发性疼痛、局部不良反应，价格不亲民等，这些局限性也促进着无针注射喷射的发展。无针喷射注射过程中最大的变数是个体人群皮肤的不确定性，这些不确定性对注射结果有着重要的影响。当前研究方向要求注射喷射控制策略能稳定这些变异性，保持稳定的喷射过程。但人们还是没有找到一种可定量描述射流注入皮肤过程的方法，对于这个方面的研究仍有大量工作需要展开。

目前商用化的喷射注射器注射参数差异不大。大部分孔口直径在150um至300um，喷射速度在100m/s至200m/s，很有必要在这个范围外的参数组合进行研究，特别是孔径较小的组合。调查发现，患者偏向于使用小孔径的注射器，可能是因为注射后不良反应概率较低，但是孔径小的注射器完成率较低。利用小孔径注射器实现较高的注射率也将是研究的热点。

值得一提的是，经检索国内外专利发现，国外关于无针注射器的专利超过 300 件，国内只有 30 多件，而且多数还是由国外公司申请的，可以说，我国关于无针注射的研究尚处于起步阶段，在相关技术领域还存在巨大的空白，急需我们去开发、充实。

参考文献：

[1]田汉波.浅谈无针注射器技术[J].仪器原理，2010（04）：106-107.

[2]彭睿.无针注射器动力学仿真及其注射机理的研究[D].武汉：华中科技大学硕士论文，2010：8-12.endprint