黏度对微射流注射特性的影响

2021-10-11曾栋坪

振动与冲击 2021年18期

伍妮，曾栋坪，康勇

（武汉大学动力与机械学院，武汉 430072）

工程技术和生物医学的交叉融合推动了给药技术的发展，微射流注射技术将水射流技术与医学工程相结合，应用于临床试验和动物免疫[1-2]。微射流注射技术通过高速射流将药物由微孔喷出，注入皮下。与传统注射方式相比，微射流注射操作简单，能有效减少针刺伤害和交叉感染。现有微射流注射器主要由弹簧、压缩气体、超声电机等动力源驱动[3-5]。随着微射流技术在疫苗接种和注射给药治疗中的应用，对射流流量与流速的精确度要求逐渐提高。

由于药物浓度要求或缓释要求，许多现代药物制剂表现出较高黏度，例如单克隆抗体和恩诺沙星[6-7]。研究表明，黏度对感知疼痛有显著影响，与中黏度或低黏度注射相比，高黏度注射导致的疼痛更少[8]。采用传统注射方式注射高黏度液体需要更大的推力和更长的注射时间，微射流技术为高黏度液体注射提供了一种更加安全、高效、方便的方法。研究药物的扩散形态、射流速度和黏度之间的关系对微射流注射有重要意义。

目前，国内外关于射流黏性的研究已经有较多成果和理论。Kato等[9]提出了脉冲射流力学模型，将作用在射流上的压力分为孔壁侧面的阻力和射流尖端的反作用力，以解释脉冲射流注入黏弹性生物材料的机理。Reci等[10]建立了考虑黏性摩擦光滑管中层流和湍流的总能量损失模型。施红辉[11]研究了液体黏性的增加对射流的穿甲效果的影响，发现射流的黏度特性能抑制流体自身不稳定性的发展，阻止在高速运动中射流的气动雾化。由此可见，黏性对射流动力特性的影响是多方面的。

本文利用高速摄像技术记录射流在空气中的发展过程并捕捉扩散角；借助射流冲击压力试验测量不同黏度射流喷嘴出口处的冲击压力；最后通过凝胶注射试验，探究黏度对微射流在凝胶中扩散形状的影响，为注射不同黏度液体时注射参数的选择提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验中所用的气动式微射流注射器[ZL 201410166683.8]以压缩二氧化碳气体为动力源。气体由进气管进入缸体腔内推动冲击活塞撞击柱塞，柱塞将注射腔内的液体从喷嘴口推出。驱动压力设置为0.50 MPa，1.00 MPa和1.75 MPa，喷嘴内部直径采用0.17 mm，0.30 mm和0.50 mm，注射剂量设置为10 mL。

1.2 试验材料

试验所用的不同黏度液体和凝胶均由实验室自制完成。具体制作方法如下:

液体药品根据黏度不同可分为液体、黏性液体、黏稠液体、稠厚液体、半固体，制药时主要通过添加助悬剂、增稠剂及高黏度助溶剂调整黏度[12-13]。使用不同佐剂对疫苗黏度有较大影响，白油佐剂和MONTANIDETM PET GEL A佐剂制备的犬瘟热病毒、犬细小病毒、犬副流感病毒三联灭活疫苗的黏度分别为75.90 mPa·s和2.80 mPa·s[14-15]。根据化学化工物性数据手册（无机卷），采用不同浓度的甘油水溶液模拟不同黏度液体。按照0，50%，67%，80%的质量浓度配制甘油-水溶液[16]，在室温下用玻璃棒搅拌均匀，密封保存备用。不同浓度甘油溶液性质，如表1所示。

表1 不同黏度液体的物理性质Tab.1 Physical properties of viscous liquids

试验采用Sigma凝胶粉制成的凝胶模拟肌肉[17]，观察不同黏度液体在凝胶中的扩散形态。将凝胶粉和蒸馏水按照质量浓度5%混合，然后将混合物边搅拌边加热至65℃，凝胶粉溶解后将溶液倒入5 cm×5 cm×10 cm的标准模具中，置于20℃中储存24 h，脱模后得到试验所需凝胶。

1.3 试验方法

利用高速摄像技术记录空气中自由射流的喷射过程。拍摄时选用Vision Research公司Phantom V2012摄像机，将高速摄像机镜头（AF Micro Nikkor 200 mm 1∶4 D）垂直于射流轴线方向放置。镜头与轴线距离为1.2 m，镜头视角中心对准射流轴线和拍摄区域中点。拍摄帧率设置为43 000 fps，曝光时间设置为22μs，分辨率设置为512像素×800像素。成像过程中由于物体和相机的位置关系导致的强度衰减误差δ为

式中，α为半视角。试验中成像对象的最大长度为10 cm，镜头距离射流轴线120 cm。最大拍摄角度约为4.76°，强度衰减误差最大为1.4%，半视角小于5.00°，可有效减少记录过程中由于拍摄视角引起的失真[18]。

喷射压力测试试验设备，如图1所示。对高灵敏度动态压力传感器（M5156-000002-030BG）进行标定后将其置于平台上，利用自制铁架台固定无针注射器使喷嘴出口与传感器表面之间的距离固定为2 mm，微射流注射器进气管通过连接管与动力源相连。高灵敏度动态压力传感器的输出端与HBM数据采集系统相连，该系统将采集到的电信号转换为数字信号，并传递给计算机。

图1 喷射压力测试试验装置Fig.1 Experimental device for measuring impact pressure

2 结果与讨论

2.1 射流扩散

图2显示了驱动压力为1.00 MPa时黏度为1 mPa·s的射流形成初始阶段1.24 ms内的高速摄影图像，时间间隔约为0.12 ms。随着射流的发展，射流尖端与喷嘴出口间的距离逐渐变大。图3显示了不同黏度的三种液体射流的高速摄影图像，由图可观察到较低黏度射流的雾化和扩散现象更为明显。局部放大图显示，随着射流的发展，不断有气体被卷入，射流轮廓扩张，射流直径增大。故引入射流扩散的衡量指标，射流扩散角θ为[19]

图2 微射流初始阶段高速摄影图像Fig.2 Snapshots from a high speed video recorded of fully-developed microjets

图3 不同黏度液体射流高速摄影图像（标尺:5 mm）Fig.3 Images of different viscous jets penetration into air（scale bar:5 mm）

式中，D0和Dh分别为喷嘴直径和距喷嘴h处的射流直径。

在驱动压力为1.00 MPa、喷嘴直径为0.17 mm的条件下，黏度为1 mPa·s，7 mPa·s，18 mPa·s，84 mPa·s的液体射流扩散角分别为1.14°，1.08°，1.01°，0.94°。随着黏度增加，射流在内流场中的黏性损耗增大[20]，射流速度减小，空气中的射流扩散角减小。射流扩散角越大，射流雾化程度越大，提高液体黏度有效地降低了射流因雾化造成的能量损失。

2.2 冲击压力

在1.00 MPa驱动气压下，黏度为7 mPa·s和18 mPa·s的液体从0.30 mm喷嘴喷出时的压力-时间曲线，如图4所示，曲线分为波动段和稳定段。波动段内，射流压力在极短的时间内由0上升至压力峰值，随后下降至稳定段压力；稳定段内射流压力变化幅度较小。为了观察射流压力的变化过程，取前10 ms内的压力曲线，如图5所示。射流压力在波动段经历较大幅度的波动后从压力峰值迅速下降至稳定段压力，随后在小幅度波动范围内保持稳定段压力。对直径在0.10～0.50 mm的射流，当峰值压力超过临界压力15 MPa时，射流可刺破皮肤，形成微小孔洞，完成射流注射的第一阶段。而后，稳定段压力为药液克服皮肤黏弹性压力，在皮肤中扩散提供能量。注射深度随压力的增大而增大，过小的压力会使射流无法刺破皮肤，过大的压力可能会导致射流触碰到神经末梢，引起疼痛。

图4 不同黏度液体产生的射流压力Fig.4 Impact pressures of different viscous jets

图5 不同黏度液体射流初始阶段压力-时间曲线Fig.5 Curves of impact pressure-time for different viscous jets in initial stage

为探究黏度对射流冲击压力的影响，射流时间和压力随黏度的变化如图6和图7所示。在驱动压力为1.00 MPa，喷嘴直径为0.30 mm的条件下，各黏度射流的波动段时间均在5 ms以内，注射时以极短的时间刺入皮肤；持续时间在黏度为18 mPa·s时达到最大值133.6 ms，注射时间明显短于传统注射方式。各工况下的射流峰值压力都超过穿透皮肤的临界压力15 MPa，为微射流注射第二阶段的药液扩散提供了基础[21]。稳定段压力在黏度为1 mPa·s，7 mPa·s，18 mPa·s，84 mPa·s时分别为8.49 MPa，9.47 MPa，8.72 MPa，9.07 MPa，为药液的扩散过程提供动力。

图6 射流时间参数与黏度的关系Fig.6 Relationship between injection time and liquid viscosity

图7 压力参数与黏度的关系Fig.7 Relationship between impact pressure and liquid viscosity

稳定段压力随喷嘴直径、射流黏度的变化，如图8和图9所示。相关研究表明[22]，射流冲击力主要受喷嘴直径和靶距的影响。从图8可以看出，在驱动压力为1.75 MPa，靶距为0的条件下，当喷嘴直径从0.17 mm增加到0.30 mm时，除水以外的其他液体的稳定段压力均呈下降趋势。水的射流压力在喷嘴直径为0.30 mm时达到最大值[23]；而对甘油水溶液而言，喷射压力随着喷嘴直径的减小而上升，这可能是黏性流体注射的优势之一。喷嘴直径减小，射流能量更集中[24]，有利于将更多的液体注入组织。当黏度为18 mPa·s和84 mPa·s时，通过0.17 mm喷嘴产生的射流稳定段压力约为通过0.50 mm喷嘴产生的射流稳定段压力的2.6倍。对于0.17 mm喷嘴，稳定段压力整体呈上升趋势，随着黏度的增大，液体密度增大，雷诺数减小，射流紊动程度降低。在各驱动压力下，黏度为18 mPa·s和84 mPa·s的射流可以产生较大的冲击压力，有利于射流穿透皮肤并完成给药。

图8 不同黏性液体射流在不同喷嘴下的稳定段压力Fig.8 Steady pressures of different viscous jets ejected from different nozzles

图9 不同黏性液体射流在不同驱动压力下的稳定段压力Fig.9 Steady pressures of different viscous jets with different driving pressures

2.3 凝胶注射试验中的扩散形状

在凝胶注射试验中，测量液体喷射到凝胶中所获得的最大深度和宽度，分别用扩散深度D和扩散宽度W表示，如图10所示。根据扩散形状的深宽比（D/W）小于1、等于1、大于1将扩散形状分为扁圆形、圆形和椭圆形[25]。过大的扩散深度是导致剧烈疼痛和出血的主要因素[26]。因此，在相同的注射剂量下，深宽比（D/W）较小的工况注射深度较浅，有利于获得更好的注射体验。

图10 射流在凝胶中的扩散形状Fig.10 Dispersion patterns of liquid jets penetration into gelatins

随着黏度的增加，扩散深度逐渐减小，如图11所示。当喷嘴直径为0.30 mm，驱动压力为1.75 MPa时，随着黏度增加，扩散深度从40.0 mm下降到36.7 mm。射流刺破组织形成孔洞过程中，作用在液体上的竖直方向上的力主要由黏性阻力和注射孔底部的反作用力组成；当穿刺过程停止，液体与组织接触面上的剪切应力产生湍流，导致液体横向扩散。流体黏度的增加使射流速度减小，同时黏滞应力随黏度的增大而迅速增大，导致射流在凝胶内的扩散深度减小。扩散深宽比随黏性的变化，如图12所示，在驱动压力和喷嘴直径均相同的条件下，黏度为1 mPa·s和7 mPa·s的液体的深宽比差异较小。随着黏度的增大，深宽比呈现先减小后增大的趋势，在黏度为18 mPa·s时宽深比达到最小值。当喷嘴直径为0.17 mm时，黏度为18 mPa·s的液体在凝胶注射试验中扩散形态的深宽比达到最小值0.875，扩散形状为扁圆形。因此，在药物浓度满足要求的前提下，使用黏度接近18 mPa·s的药物有利于临床用药。