【成果推介·医工交叉专栏】注射过程可控的无针注射器
发布日期：2024-03-08 浏览量：487
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医疗装备
痛点问题
无针注射是一种依靠射流刺破皮肤达到经皮输送药物的技术。该技术具有许多优势，如避免了人员操作不当造成的人体刺伤，降低了交叉感染的风险；缩短注射时间，减少创伤，提高注射效率；以高压射流的形式瞬时穿透皮肤达到真皮层后迅速弥散，药物分散范围更广，有利于药物更快地被人体吸收；穿透人体组织的深度有限，对神经末梢刺激较小，注射时几乎无痛感，有助于提高对针头具有恐惧性患者的顺应性等。目前，无针注射器在医疗市场的疫苗、胰岛素、高危传染病的治疗中占有一定份额。同时，无针注射显现出很大的市场潜力，被评价为当前最具有前景的给药系统之一。
不过，以弹簧或气体为动力源的无针注射系统，很难实现注射过程中射流参数的实时调节，从而导致无针注射的使用中出现渗透深度控制难、适应人群范围小、偶尔出现疼痛和瘀肿等问题。
成果介绍 为解决上述问题，本项目在应用电磁驱动技术的基础上，实现射流特性可控的无针注射技术。根据不同人群、不同部位、不同药物的注射要求，实现药物的可控输送，最大限度地提高药物的输送效率和吸收效率，减少相关药物的用量，对于减少疫苗接种和治疗药物的使用成本、减轻病患负担、减少财政支出具有十分重要的意义。 本项目以音圈电机作为无针注射的动力源，开展射流特性调控算法的研究，研制一套射流特性可控的无针注射原型系统及测试平台。该系统以可编程控制器为核心，其内部嵌入预先设计好的射流特性控制驱动算法，在控制输入的作用下调节音圈电机的输出力，从而实现对射流速度与压力的控制。 (1)建立电场-磁场-流场耦合的音圈电机驱动的无针注射系统数学模型。分析了恒定电压、电容放电和脉宽调制电容放电的三种供电方式下的射流，发现三种供电方式下的射流特性具有相似的变化特征。其中，脉宽调制电容放电的供电方式可通过改变脉宽的长度来调节射流的峰值滞止压力。 (2)根据脉宽调制电容放电的无针注射数学模型，提出基于脉宽调制的分段射流控制算法和基于模糊 PID 闭环控制到开环控制迁移的射流控制算法，通过仿真分析验证了两种射流控制算法的可行性。 (3)开发一套音圈电机驱动的射流特性可控型无针注射原型系统，包括机械平台、硬件电路、下位机控制软件及上位机测试软件。 (4)完成音圈电机驱动的射流特性可控型无针注射原型系统的射流冲击力实验和药液扩散实验。射流冲击力实验表明，两种射流控制算法实验结果与仿真得到的射流冲击力曲线基本一致。无针注射药液扩散实验结果表明，两种射流控制算法下的药液扩散效果均明显优于无控制算法下的效果，其中模糊 PID 闭环控制到开环控制迁移的射流控制算法效果更优。 图1 成果展示
性能指标 以可编程控制器为核心，其内部嵌入预先设计好的射流特性控制驱动算法，在控制输入的作用下调节音圈电机的输出力，从而实现对射流速度与压力的控制。以适应不同人群和不同药液的无针注射的需要。
技术成熟度 已完成原理样机、测试平台软硬件的研制。进行了不同控制参数下射流曲线测试实验；以明胶、猪皮为对象，进行了体外注射扩散实验。
产业化应用 市场前景： 可应用于人类疫苗接种、胰岛素注射、皮肤病治疗、美容等场合。亦可在养殖场及宠物医院应用于动物的疫苗注射。 （1）以胰岛素注射为例，2019 年全球糖尿病患者已经达到 4.63 亿；预计到 2030 年，糖尿病患病人数可达到 5.78 亿。可见需要胰岛素注射的人群非常庞大，无针注射器的潜在市场十分巨大。 （2）以疫苗接种为例，目前计划免疫市场容量巨大，且随着流行病的日益增多，针对不同病毒的疫苗接种需求日益增多，形成了越来越大的疫苗接种市场，从而会带动无针注射器需求的激增。 本项目开发的注射过程可控的无针注射器，可以适应不同人群、不同药物或疫苗的无针注射，因而，具有十分广阔的市场应用前景。 发展规划： 拟寻找合作单位，以为合作单位提供技术开发和技术服务的方式，深入研究可控型无针注射器的系统建模、控制算法、产品原型设计与开发、体外实验等环节所涉及的关键技术。
合作方式：
专利许可、专利转让、作价入股、技术开发、技术服务、面谈等。