獸醫(yī)無針注射器研究進(jìn)展

張晶聲，張 旭，李 娉，金聞名

(中國(guó)獸醫(yī)藥品監(jiān)察所，北京 100125)

1866年，人類首次提出了無針注射思想，1933年，研制出了無針注射器產(chǎn)品，并進(jìn)行了臨床研究和普及應(yīng)用。其后，有關(guān)射流注射即無針注射的理論和各種形式的無針注射結(jié)構(gòu)專利不斷出現(xiàn)，各種形式的無針注射器(槍)推向了市場(chǎng)，并從人醫(yī)擴(kuò)展到獸醫(yī)領(lǐng)域。人醫(yī)無針注射器側(cè)重于衛(wèi)生要求，多是一次性的，或與人體接觸部件是一次性的［1］。而獸醫(yī)無針注射器要適應(yīng)給動(dòng)物集中免疫注射疫苗的需要，必須是可連續(xù)注射、多次使用的。

1 獸醫(yī)無針注射原理

基本組成是在活塞注射器的基礎(chǔ)上，增加驅(qū)動(dòng)裝置，瞬時(shí)爆發(fā)推動(dòng)活塞，將藥液從微型噴孔高速噴出，穿透皮膚形成超微細(xì)射流，實(shí)現(xiàn)皮下或肌肉注射。再增加吸藥裝置，可完成自動(dòng)吸藥，連續(xù)注射。基本工作原理如圖1。

圖1 獸醫(yī)無針注射器基本工作原理

2 獸醫(yī)無針注射系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容

2．1 驅(qū)動(dòng)方式 主要有彈簧動(dòng)力、壓縮氣體動(dòng)力、電動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)，以及激光驅(qū)動(dòng)。比較各種動(dòng)力結(jié)構(gòu)和工作過程如下:

2．1．1 彈簧動(dòng)力 典型結(jié)構(gòu)［2］:通過兩組鉸接的四桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)吸藥和噴藥。扳動(dòng)扳機(jī)3，8－3－15－5四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)吸藥，同時(shí)壓縮主彈簧6;隨后，12－14－9－15四桿聯(lián)動(dòng)，釋放主彈簧6，活塞桿5推動(dòng)將藥液噴出。松開扳機(jī)3，12－14－9－15四桿反向運(yùn)動(dòng)，活塞復(fù)位(圖2)。

圖2 彈簧動(dòng)力無針注射器典型結(jié)構(gòu)

典型結(jié)構(gòu)［3］:電機(jī)→偶合筒→拉桿→壓縮彈簧→活塞→吸藥。電機(jī)反轉(zhuǎn)→拉桿→彈簧復(fù)位→活塞→噴射。

特點(diǎn):可調(diào)節(jié)注射劑量，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)注射。但結(jié)構(gòu)需要機(jī)械鎖合和脫開裝置來壓緊和釋放彈簧，較為復(fù)雜［3］。

2．1．2 壓縮氣體動(dòng)力 典型結(jié)構(gòu)［4］:壓縮氣體→磁性活塞→注射活塞→吸藥。手柄→壓縮氣體→磁性活塞→注射活塞→噴射。先打開氣閥，壓縮氣體通過通道5進(jìn)入腔體，推動(dòng)磁性活塞6后移，其與限位磁鐵8間距離進(jìn)入磁力范圍時(shí)，與限位磁鐵8接觸，帶動(dòng)注射活塞桿3后移，藥液吸入注射筒2。之后扳動(dòng)手柄9，壓縮氣體逆行，通過通道7進(jìn)入腔體，當(dāng)氣壓對(duì)于6的作用力大于磁性活塞6與限位磁鐵8間的磁力時(shí)，推動(dòng)6向前運(yùn)動(dòng)，隨著件6和8之間距離加大，吸引力減小，磁性活塞瞬時(shí)爆發(fā)，推動(dòng)注射活塞3將筒2中的藥液擠入注射頭1中，完成噴射(圖3)。

圖3 壓縮氣體動(dòng)力無針注射器典型結(jié)構(gòu)

特點(diǎn):劑量可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)注射。

2．1．3 電磁動(dòng)力 典型結(jié)構(gòu)1［5］:電磁繞組→撞擊桿→活塞→藥液→噴孔。電磁鐵線圈通電，吸引鐵芯快速運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)撞擊桿撞擊活塞，將藥液從噴孔急速射出，形成水針穿透皮膚給藥。注射完成一次，螺旋彈簧反彈，將鐵芯復(fù)位。

典型結(jié)構(gòu)2［6］:電磁線圈→吸進(jìn)活塞的永磁體→活塞→吸藥或噴射。打開控制電路7，電磁線圈671通電，向著存在磁場(chǎng)的環(huán)形孔洞641后方移動(dòng)，繞線體67前端永磁體68吸住活塞69同向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，注射頭內(nèi)的密封球16被錐形彈簧17壓入密封圈15，在活塞69與密封球16間形成負(fù)壓，完成吸藥。給電磁線圈反向通電，永磁體68推動(dòng)活塞69反向運(yùn)動(dòng)，將藥液噴出。吸藥瓶中有單向閥(圖4)。

特點(diǎn):磁場(chǎng)力易于調(diào)節(jié)，使得注射深度可控。結(jié)構(gòu)2更可方便實(shí)現(xiàn)連續(xù)注射。

圖4 電磁動(dòng)力無針注射器典型結(jié)構(gòu)

2．1．4 電動(dòng)式 典型結(jié)構(gòu)［7］:直流電機(jī)→齒輪傳動(dòng)組→齒條→活塞→噴孔。關(guān)鍵在于與齒條嚙合的齒輪是不完全齒輪。電機(jī)12通電，齒輪組13、14、15帶動(dòng)齒條16移動(dòng)，與齒條相連的活塞桿9后移，壓縮彈簧10完成蓄能(或可添加上圖4中的藥瓶，完成吸藥)。當(dāng)不完全齒輪15轉(zhuǎn)過1800時(shí)，與齒條脫離嚙合，齒條即反向運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)活塞桿9撞擊撞針5，急速推動(dòng)7中的注射活塞向前移動(dòng)，結(jié)合安瓶瓶，完成注射(圖5)。

圖5 電動(dòng)式無針注射器典型結(jié)構(gòu)

特點(diǎn):通過調(diào)節(jié)桿可調(diào)節(jié)給藥劑量，通過復(fù)位彈簧可實(shí)現(xiàn)連續(xù)注射。

2．1．5 激光動(dòng)力 典型結(jié)構(gòu)［8］:激光驅(qū)動(dòng)器→液體動(dòng)能腔→活塞→給藥腔→噴孔。驅(qū)動(dòng)器發(fā)出激光，作用于動(dòng)能腔中液體上，光熱轉(zhuǎn)化，令其瞬間膨脹，推動(dòng)活塞，活塞推動(dòng)給藥腔中藥液，經(jīng)噴射口向皮膚噴射給藥。之后，激光器關(guān)閉，動(dòng)能腔氣態(tài)液體失去激光能量作用，轉(zhuǎn)換為液態(tài)，腔內(nèi)負(fù)壓吸引將活塞復(fù)位，同時(shí)給藥腔吸藥。

特點(diǎn):通過選擇功率，可實(shí)現(xiàn)激光能量精確控制，注射深度可控;激光通過光纖傳輸，可選擇不同口徑的光纖導(dǎo)管，滿足不同組織部位的給藥需求;可連續(xù)給藥，并且不需要專門的復(fù)位構(gòu)件。

2．2 噴孔結(jié)構(gòu) 噴孔的結(jié)構(gòu)直接影響射流的流動(dòng)性和動(dòng)力性能，并應(yīng)不易發(fā)生堵塞。在動(dòng)力一定的情況下，還會(huì)影響注射深度。常用的噴孔結(jié)構(gòu)之一是收縮角為 13°，長(zhǎng)徑比為 2～4的針形噴孔［9－10］。另一種結(jié)構(gòu)是縮放形噴孔［11］，當(dāng)壓力足夠大時(shí)，其流體出口速度可超過聲速。噴孔數(shù)量一般為一個(gè)，也可為均勻分布的兩個(gè)或更多。噴口直徑在0．1～0．5 mm范圍內(nèi)。

2．3 噴射特性 噴射壓力、噴射速度、噴射功率等直接影響注射質(zhì)量，噴射壓力決定了噴射能否穿透皮膚，噴射速度影響到注射深度，噴射功率直接影響噴射注射的注射完全度(注射時(shí)進(jìn)入皮膚的藥物與注射劑量之比)。從噴射注射系統(tǒng)的研制角度出發(fā)，人們運(yùn)用流體力學(xué)、電磁學(xué)原理等各種理論建模和試驗(yàn)檢測(cè)手段，得出了噴射壓力與時(shí)間、噴射壓力與注射劑量的關(guān)系曲線［12－13］。噴射速度可以采用粒子圖像測(cè)速儀PIV測(cè)得［14］。

2．4 注射效果 注射效果的研究包括與有針注射的比對(duì)，主要手段有對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物實(shí)施無針注射帶熒光材料的生理鹽水，運(yùn)用多光譜活體動(dòng)物成像分析系統(tǒng)，觀察注射點(diǎn)周圍的熒光分布。結(jié)果顯示比有針注射有更好的藥物吸收率［15］。研究?jī)?nèi)容還包括注射深度與注射劑量的關(guān)系。

3 應(yīng)用狀況

加拿大、美國(guó)是較早開展研究并使用獸醫(yī)無針注射器的國(guó)家。據(jù)報(bào)道［16］，美國(guó)有近80%的大型養(yǎng)殖場(chǎng)在使用無針注射器，他們的產(chǎn)品主要有美國(guó)Pulse公司生產(chǎn)的壓縮氣體驅(qū)動(dòng)的三種規(guī)格的獸醫(yī)無針注射系統(tǒng)，加拿大的Agro－jet公司生產(chǎn)的壓縮氣體驅(qū)動(dòng)的九種規(guī)格的產(chǎn)品，和Acushot公司生產(chǎn)的壓電傳動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的兩種規(guī)格的獸醫(yī)無針注射器產(chǎn)品。它們總體容量為0．1～5．0 mL，標(biāo)稱劑量精度為±1%。這些產(chǎn)品已在美國(guó)、加拿大、歐洲、日本等國(guó)際市場(chǎng)上推廣，現(xiàn)已進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)，主要在東部沿海地區(qū)推廣試用，價(jià)格較高。

在我國(guó)，四、五年前已有企業(yè)和高校進(jìn)行獸醫(yī)無針注射器的開發(fā)、研究，已制造出了樣機(jī)。在驅(qū)動(dòng)原理、噴射特性和注射效果方面也進(jìn)行了理論和檢測(cè)方法研究。但測(cè)量方法和分析過程側(cè)重于理論性，鮮有進(jìn)入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。

4 無針注射器與傳統(tǒng)注射器的比較

傳統(tǒng)針頭注射器注射藥液時(shí)，藥液將周圍組織擠走，在組織中沉積成“池”形，組織從與藥液池接觸的邊界開始逐步向中心進(jìn)行藥液吸收，由于接觸邊界有限，吸收速度很慢。相比較而言，無針注射器是一種更加安全、快速、可靠、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便的注射方式。藥液呈霧狀或噴射狀在真皮、皮下和肌肉組織中擴(kuò)散，藥物的微小流體顆粒與吸收組織密切接觸。藥物的吸收率隨擴(kuò)散面積擴(kuò)大而增加，對(duì)皮膚的創(chuàng)傷隨噴射孔的縮小而減少。且能避免交叉感染，減少動(dòng)物疼痛，符合動(dòng)物福利要求，又能提高肉的品質(zhì)。

雖然在試用中發(fā)現(xiàn)獸醫(yī)無針注射器還有一些不盡人意的地方，如氣動(dòng)式的需背負(fù)動(dòng)力氣瓶，操作人員易疲勞;操作需要經(jīng)過培訓(xùn)，確保注射器和皮膚表面垂直，否則影響注射效果;價(jià)格較高，一般養(yǎng)殖場(chǎng)難以接受等。但從國(guó)外產(chǎn)品不斷的更新?lián)Q代和在全球市場(chǎng)上推廣使用的事實(shí)可以推斷獸醫(yī)無針注射器具有良好的發(fā)展前景，將會(huì)像人用無針注射一樣，成為一種動(dòng)物免疫、疫病控制的新型給藥方式。

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