【成果推介·醫(yī)工交叉專欄】注射過程可控的無針注射器
發(fā)布日期：2024-03-08 瀏覽量：1196
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所屬領域
醫(yī)療裝備
痛點問題
無針注射是一種依靠射流刺破皮膚達到經皮輸送藥物的技術。該技術具有許多優(yōu)勢，如避免了人員操作不當造成的人體刺傷，降低了交叉感染的風險；縮短注射時間，減少創(chuàng)傷，提高注射效率；以高壓射流的形式瞬時穿透皮膚達到真皮層后迅速彌散，藥物分散范圍更廣，有利于藥物更快地被人體吸收；穿透人體組織的深度有限，對神經末梢刺激較小，注射時幾乎無痛感，有助于提高對針頭具有恐懼性患者的順應性等。目前，無針注射器在醫(yī)療市場的疫苗、胰島素、高危傳染病的治療中占有一定份額。同時，無針注射顯現(xiàn)出很大的市場潛力，被評價為當前最具有前景的給藥系統(tǒng)之一。
不過，以彈簧或氣體為動力源的無針注射系統(tǒng)，很難實現(xiàn)注射過程中射流參數(shù)的實時調節(jié)，從而導致無針注射的使用中出現(xiàn)滲透深度控制難、適應人群范圍小、偶爾出現(xiàn)疼痛和瘀腫等問題。
成果介紹 為解決上述問題，本項目在應用電磁驅動技術的基礎上，實現(xiàn)射流特性可控的無針注射技術。根據(jù)不同人群、不同部位、不同藥物的注射要求，實現(xiàn)藥物的可控輸送，最大限度地提高藥物的輸送效率和吸收效率，減少相關藥物的用量，對于減少疫苗接種和治療藥物的使用成本、減輕病患負擔、減少財政支出具有十分重要的意義。 本項目以音圈電機作為無針注射的動力源，開展射流特性調控算法的研究，研制一套射流特性可控的無針注射原型系統(tǒng)及測試平臺。該系統(tǒng)以可編程控制器為核心，其內部嵌入預先設計好的射流特性控制驅動算法，在控制輸入的作用下調節(jié)音圈電機的輸出力，從而實現(xiàn)對射流速度與壓力的控制。 (1)建立電場-磁場-流場耦合的音圈電機驅動的無針注射系統(tǒng)數(shù)學模型。分析了恒定電壓、電容放電和脈寬調制電容放電的三種供電方式下的射流，發(fā)現(xiàn)三種供電方式下的射流特性具有相似的變化特征。其中，脈寬調制電容放電的供電方式可通過改變脈寬的長度來調節(jié)射流的峰值滯止壓力。 (2)根據(jù)脈寬調制電容放電的無針注射數(shù)學模型，提出基于脈寬調制的分段射流控制算法和基于模糊 PID 閉環(huán)控制到開環(huán)控制遷移的射流控制算法，通過仿真分析驗證了兩種射流控制算法的可行性。 (3)開發(fā)一套音圈電機驅動的射流特性可控型無針注射原型系統(tǒng)，包括機械平臺、硬件電路、下位機控制軟件及上位機測試軟件。 (4)完成音圈電機驅動的射流特性可控型無針注射原型系統(tǒng)的射流沖擊力實驗和藥液擴散實驗。射流沖擊力實驗表明，兩種射流控制算法實驗結果與仿真得到的射流沖擊力曲線基本一致。無針注射藥液擴散實驗結果表明，兩種射流控制算法下的藥液擴散效果均明顯優(yōu)于無控制算法下的效果，其中模糊 PID 閉環(huán)控制到開環(huán)控制遷移的射流控制算法效果更優(yōu)。 圖1 成果展示
性能指標 以可編程控制器為核心，其內部嵌入預先設計好的射流特性控制驅動算法，在控制輸入的作用下調節(jié)音圈電機的輸出力，從而實現(xiàn)對射流速度與壓力的控制。以適應不同人群和不同藥液的無針注射的需要。
技術成熟度 已完成原理樣機、測試平臺軟硬件的研制。進行了不同控制參數(shù)下射流曲線測試實驗；以明膠、豬皮為對象，進行了體外注射擴散實驗。
產業(yè)化應用 市場前景： 可應用于人類疫苗接種、胰島素注射、皮膚病治療、美容等場合。亦可在養(yǎng)殖場及寵物醫(yī)院應用于動物的疫苗注射。 （1）以胰島素注射為例，2019 年全球糖尿病患者已經達到 4.63 億；預計到 2030 年，糖尿病患病人數(shù)可達到 5.78 億?？梢娦枰葝u素注射的人群非常龐大，無針注射器的潛在市場十分巨大。 （2）以疫苗接種為例，目前計劃免疫市場容量巨大，且隨著流行病的日益增多，針對不同病毒的疫苗接種需求日益增多，形成了越來越大的疫苗接種市場，從而會帶動無針注射器需求的激增。 本項目開發(fā)的注射過程可控的無針注射器，可以適應不同人群、不同藥物或疫苗的無針注射，因而，具有十分廣闊的市場應用前景。 發(fā)展規(guī)劃： 擬尋找合作單位，以為合作單位提供技術開發(fā)和技術服務的方式，深入研究可控型無針注射器的系統(tǒng)建模、控制算法、產品原型設計與開發(fā)、體外實驗等環(huán)節(jié)所涉及的關鍵技術。
合作方式：
專利許可、專利轉讓、作價入股、技術開發(fā)、技術服務、面談等。