CN201131985Y - 磁致伸缩驱动的无针头注射器 - Google Patents

Abstract

本实用新型——磁致伸缩驱动的无针头注射器，涉及一种将制剂、特别是药物制剂注入人体或动物体内的无针头注射装置，包括一个筒体(1)，筒体(1)内部上段置有一个动力系统，下段装配药筒(7)，其特征在于，动力系统由励磁线圈(2)和超磁致伸缩棒(4)构成。在安全电压工作模式下，超磁致伸缩棒(4)快速伸缩，以脉冲力冲击并加速药筒(7)内的活塞(7b)，瞬间挤出制剂，实施药物的喷射式导入；本实用新型适合于对人或动物进行生长激素、胰岛素、疫苗、血红素以及多肽等其他生物制剂或化学合成药剂的微剂量注射，并适合于不具有皮下、皮内及肌内注射专门知识的个人使用。

Description

磁致伸缩驱动的无针头注射器

所属技术领域

本实用新型涉及一种将制剂、特别是药物制剂注入人体或动物体内的无针头注射装置，尤其是能够在严格无菌条件下实现皮下、皮内及肌内精确剂量药物导入的注射器。

背景技术

世界卫生组织(WHO)一直呼吁发展无针头药物注射技术，传统的针式注射方法不仅痛感显著，令多数患者(特别是儿童)产生心理恐惧，长期注射还会造成皮下组织、神经及微血管的损伤，并且大量一次性注射器使用后即成为威胁环境健康的医疗垃圾，处理这些医疗垃圾十分不便且费用不菲。

无针头注射技术的发明，旨在实现无创注射，彻底消除痛感并方便于一般非专业医护人员的操作使用。该技术的要点在于实现药物的喷射式导入，为此需要有驱动力强且快速响应的动力系统，提供脉冲力以冲击和推进封闭药物容器内的活塞，产生瞬态高压迫使药剂从一微细孔中挤出，形成高速喷射的微射流，迅速穿透人体或动物体皮肤，到达药物吸收最佳部位。由此可见，寻求运作安全、高效且廉价的动力系统是研制无针头注射器的关键。目前已有的动力系统在技术上大体可分为三种：压缩气体、燃料以及硬质弹簧，相关的发明专利在国内外已经公开或授权的计有20余项。相比之下，压缩气体法需要配备高压气仓及相应的空气压缩装置，体积庞大、造价昂贵、耗能费时，使用极为不便；与火箭技术相类，以引爆燃料产生冲击波的方式固然可以提供足够强大的助推力，但其潜在的危险和不稳定因素也的确令人担忧；以压缩弹簧作为动力系统较之上述两种方法简便易行，美国Equidyne Corporation公司控股的Equidyne Systems，Inc分公司历时8年开发成功一种弹簧类无针头注射器，已于2000年7月开始将其Injex系列产品批量投放市场。该注射器尚存在以下缺点：(1)由于使用前和使用过程中需要对弹簧体进行压缩、复位、准直、约束等一系列准备环节以及之后的安全触发需要特别保障，相应的动力系统内部设计非常复杂，制作工序多，售价昂贵($250)，非普通用户所能承受得起；(2)弹簧系统自身的机械稳定性和疲劳问题，在使用过程中可能出现机械故障，并且弹簧动力随使用次数增加而衰减，需定期更换；(3)实施注射时弹簧体撞击活塞时产生强烈震颤并发出大的声响，给使用者带来另类不适的观感；(4)仍为接触式注射方法，为防止交叉感染，仍推荐大量使用一次性药管。

另据最新报道，美国加州大学伯克利分校的研究人员独辟蹊径发明了一种高精度的皮下注射器，它是利用物理学中压电效应的逆效应，即在一定的电压驱动下，一些离子型晶体的电介质(如陶瓷体、石英等)可在施压方向上产生线性应变，这实际上可简单的归纳为一种电致伸缩效应。利用压电效应及其逆效应制成的各种传感器和换能器已经在电子技术及其相关产品中获得了广泛的应用，用在药物注射方面尚属首次。该注射器的动力系统关键部件是一组钛酸铅压电陶瓷(PZT)，由于使用电驱动，并且陶瓷应变具有很高的响应速度，因而所获得的药物喷射流具有非常高的速度(最高可达140米/秒)，这样可在不需要与患者皮肤接触的情况下将药物注入体内。而且事先并不需要任何额外的机械准备，在实现快速、无痛注射的同时，避免一次性药管的使用，最大限度的减小了交叉感染的机会和废弃药管的数量。此外由于动力部件为一刚性陶瓷体，克服了前述Injex系列产品中弹簧体不易准直、易于疲劳等缺点。

显然，利用逆压电效应制造的新型注射器，不仅技术实现更为简捷，在实现非接触式注射方面更是具有上述其他方法无可比拟的优越性。但是，我们也不难发现该方法本身仍然存在一些难以克服甚或致命的缺陷：(1)压电陶瓷本身电致伸缩系数小(100～600ppm)，这就决定了该技术仅适用于微剂量注射(45～140纳升)；(2)由于PZT陶瓷烧结难、极化难、制作大尺寸产品难，一般成品均为薄片，这就需要数片乃至数十片沿径向粘接在一起才能满足与所需动力相应的位移量的要求，这样整个粘接体的各部分的结合度和刚性如何、能否保证各陶瓷片微应变的有效累加，直接关系到产品的合格率及使用寿命，技术上面临着挑战；(3)陶瓷材料质脆易碎，在多次强力拍击活塞过程中有毁损的可能；(4)为保证陶瓷体产生足够的应变，驱动电压常需高达数百伏甚至上千伏，远高于人体安全电压(36V)，并且在这样高的电压情况下，动力系统内部正、负极以及筒体之间的有效隔离和绝缘设计难度很大，安全隐患实在不容忽视。这些缺陷的弥补有待于新的技术突破。

发明内容

本实用新型提供一种磁致伸缩驱动的无针头注射器，该注射器可以克服现有无针头注射器在系统造价、系统安全、系统寿命或是注射剂量等方面的不足，能够在安全电压工作模式下长期稳定工作，实现足够剂量药物的注射。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

依据物理学另一重要的能量转换效应——磁致伸缩效应，选用稀土超磁致伸缩(或称巨磁致伸缩)材料Terfenol-D来加工和制作无针头注射器动力系统的关键部件，将适当直径和长度的Terfenol-D超磁致伸缩棒材置于空心励磁线圈之中。在外加电压作用下，沿励磁线圈轴向产生一磁场，在该磁场作用下，超磁致伸缩棒产生径向磁致应变，推动与其相连的部件发生位移。在超磁致伸缩棒下端还接有一个液压放大装置，该装置能够对超磁致伸缩棒的径向位移产生放大作用，并将动力和位移传递给药筒内的活塞，推动药液从药筒下端的微孔中喷射而出。由于使用Terfenol-D超磁致伸缩棒材作为电磁能和机械力之间的换能器，整个装置具有很高的响应速度，确保药物喷射流具有足够大的初速度，能够穿透皮肤表面、到达皮下适宜深度。

本发明一种磁致伸缩驱动的无针头注射器，包括一个筒体(1)，筒体(1)内部上段置有一个动力系统，下段装配药筒(7)，其特征是，动力系统由励磁线圈(2)和超磁致伸缩棒(4)构成。

本发明一种磁致伸缩驱动的无针头注射器，其中筒体(1)由非磁性不锈钢材质制成，超磁致伸缩棒(4)由稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D制成。

本发明一种磁致伸缩驱动的无针头注射器，还包括液压放大装置(6)，液压放大装置的器壁由非磁性材质制成。

本发明一种磁致伸缩驱动的无针头注射器，其中药筒(7)的筒体(7a)由医用玻璃钢材质制成。

本发明一种磁致伸缩驱动的无针头注射器，还包括外电源部分，外电源部分包括一个电位器(9)，电位器(9)由一阻值精确的可变电阻构成，在回路中与励磁线圈(2)串联。

本实用新型的技术特点和优势在于：

(1)Terfenol-D超磁材料伸缩系数(1500～2000ppm)是PZT陶瓷材料电致伸缩系数的3～5倍，这就意味着相应的注射剂量相对于前述逆压电法可扩大3～5倍。表1示出稀土超磁Terfenol-D的物理性能与压电陶瓷PZT的对比。

(2)Terfenol-D超磁材料制备工艺成熟，样品尺度不受限制，多种规格市场有售，使用整根棒材即可满足无针头注射的动力需要，无须象前述逆压电法PZT陶瓷材料那样多片拼结使用，可确保整个动力系统的伸缩性能满足设计要求，不存在这方面的任何技术缺陷；

(3)Terfenol-D的组分是Tb_0.3Dy_0.7Fe_1.95，为金属合金，其刚性和韧性俱佳，方便加工，并且使用过程中不会出现毁损等问题；Terfenol-D磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约10mm的棒材伸缩时可产生约200公斤的推力；响应时间仅百万分之一秒；其工作频带宽，稳定性好，可靠性高；其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无过热失效问题，完全符合高性能、非接触无针头注射器优化设计和长效使用的要求。

(4)Terfenol-D超磁材料的优异性能还在于其在较低磁场下即可得到近饱和的磁致伸缩应变，并且能量转换效率高达80％，这就意味着可以用很低的励磁电压(12～36V)和很小的电功率来驱动，以其制作的无针头注射器结构简单、耗能小、完全不必担心安全问题。

表1. Terfenol-D的物理性能与压电陶瓷(PZT)的对比

本实用新型的有益效果是：

本实用新型无针头注射器技术路线清楚，结构简单、使用方便，无需事先清洗、消毒，可在严格无菌条件下实施精确剂量的注射。本实用新型无针头注射器无需作任何机械压缩准备，动力来源于通电即有、即用的电磁能，完全避免了那种机械蓄能方法易于发生意外爆炸或弹射的危险。本实用新型注射器工作电压低，使用安全，操作方便，性能稳定，非常适合于不具有皮下、皮内及肌内注射专门知识的个人使用。本实用新型注射器适合于对人或动物进行生长激素、胰岛素、血红素以及多肽等其他生物制剂或化学合成药剂的微剂量注射，尤其适合于疫苗的接种。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型第一个实施例纵剖面结构图。

图2是本实用新型第一个实施例动力系统部分的纵剖面结构图。

图3是本实用新型第一个实施例液压放大装置部分的纵剖面结构图。

图4是本实用新型第一个实施例药筒部分的纵剖面结构图

图5是本实用新型第二个实施例的动力系统及液压放大装置纵剖面结构图。

具体实施方式

图1所示本实用新型第一个实施例中，筒体1是由不锈钢材质制成的管状体，具有圆柱形截面，在管体内表面刻有内螺纹；在筒体1内部上段置有一个圆柱形励磁线圈2，筒体1外壁上部设有一电源端口3，可将电流导入励磁线圈2。励磁线圈2下端刻有外螺纹与筒体1内螺纹相配，便于励磁线圈2的固定安装；励磁线圈2内置一根由Terfenol-D材料制成的超磁致伸缩棒4，超磁致伸缩棒4与筒体1、励磁线圈2具有相重的中轴线，超磁致伸缩棒4上端与筒体1通过顶部螺丝5紧固在一起、超磁致伸缩棒4与励磁线圈2具有相同的径向长度，超磁致伸缩棒4的外径略小于励磁线圈2的内径。超磁致伸缩棒4与励磁线圈2一起构成注射器的动力系统，如图2所示。在励磁线圈2上加载0～32伏电压时，超磁致伸缩棒4可提供0～80微米的径向位移。

图1所示本实用新型第一个实施例中，在筒体1内部中段置有一液压放大装置6，如图3所示。该装置由流体室6a、大活塞6b(直径10mm)、小活塞6c(直径1mm)构成，其中流体室6a通过外壁螺纹固定在筒体1内，大活塞6b与超磁致伸缩棒4通过螺纹紧固在一起。依据流体力学中的帕斯卡定律，装置6起到位移放大的作用。通过装置6，径向位移可放大100倍，最大可达8mm(小活塞6c的位移)。相应的注射剂量最高可达6000纳升。在另一规格的液压放大装置中，大、小活塞的直径分别为5mm和0.5mm，这时注射剂量最高可达1500纳升。

图1所示本实用新型第一个实施例中，在筒体1下端可装配药筒7。如图4所示，药筒7包括一个筒体7a和一个活塞7b，筒体7a内径1mm，通过外壁螺纹可以装载在筒体1下端，并与流体室6a相接，活塞7b杆部深入到流体室6a下部管体数毫米。筒体7a下端有一直径75微米的小孔8，为药物喷射出口。

本实用新型第二个实施例中，动力系统装入液压放大装置流体室内部上段，形成一体化的位移放大型超磁致伸缩执行器，如图5所示。

本实用新型第三个实施例中，动力系统的励磁线圈2上、下两端还分别装有两块环状永久磁铁用来提供一定的偏磁场，以使超磁致伸缩棒4工作在线性区。

本实用新型实施例的外电源部分包括一个直流电源，一个开关，一个电位器9，该电位器由一可变电阻构成，在回路中与励磁线圈2串联，起到如下重要作用：

(1)分压作用，确保注射器工作在安全电压(36伏)以下，并且依据不同标称注射剂量，调整工作电压；

(2)调节电路阻抗，确保励磁线圈对输入电流的响应速度。通常电磁线圈在电路中具有自感现象，这样在开启电源时，由于受励磁线圈自感电动势的影响，励磁线圈电流的上升有一个过程，依据磁感应定律，电流上升过程的暂态时间正比于励磁线圈自感系数，反比于串联电阻，这样在附加串联电阻的情况下，暂态时间可以小到微秒，确保注射系统动力响应的高速度；

(3)限制电流，保护励磁线圈。实施注射后关闭电源时，由于电路中电流的突然中断，励磁线圈磁通量急剧变化，就会在励磁线圈中产生一个较大的自感电动势，这一瞬态电动势虽不足以对人体产生危害，但会引起残余能量在励磁线圈中的损耗，可能影响励磁线圈的使用寿命。本发明电路中电位器的引入巧妙的解决了这一问题，即在实施注射后关闭电源前，先将电位器(电阻)旋至最大，这时流过励磁线圈的电流大大减小，之后在关闭电源时励磁线圈中产生的自感电动势以及能量损耗即可忽略不计。

本实用新型注射器在装配时先将励磁线圈2装入筒体1，次将超磁致伸缩棒4和液压驱动装置6衔接，然后一起装入筒体1。

使用时以药筒7抽取适量药剂后将其紧固在筒体1下端，将电位器调至合适数值，然后以药筒7下端小孔将对准注射部位，按下开关按纽，即可完成注射。注射后，将电位器阻值旋至最大，然后关闭电源。

本实用新型注射器不限于上述实施例，尚包括其他所有变型。

Claims (6)

1. 一种磁致伸缩驱动的无针头注射器，包括一个筒体(1)，筒体(1)内部上段置有一个动力系统，下段装配药筒(7)，其特征是，动力系统由励磁线圈(2)和超磁致伸缩棒(4)构成。

2. 根据权利要求1所述的磁致伸缩驱动的无针头注射器，其特征是，筒体(1)由非磁性不锈钢材质制成。

3. 根据权利要求1所述的磁致伸缩驱动的无针头注射器，其特征是，超磁致伸缩棒(4)由稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D制成。

4. 根据权利要求1所述的磁致伸缩驱动的无针头注射器，其特征是，还包括液压放大装置(6)，液压放大装置的器壁由非磁性材质制成。

5. 根据权利要求1所述的磁致伸缩驱动的无针头注射器，其特征是，药筒(7)的筒体(7a)由医用玻璃钢材质制成。

6. 根据权利要求1所述的磁致伸缩驱动的无针头注射器，其特征是，还包括外电源部分，外电源部分包括一个电位器(9)，电位器(9)由一阻值精确的可变电阻构成，在回路中与励磁线圈(2)串联。

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