张晶声，张 旭，李 娉，金闻名

(中国兽医药品监察所，北京 100125)

1866年，人类首次提出了无针注射思想，1933年，研制出了无针注射器产品，并进行了临床研究和普及应用。其后，有关射流注射即无针注射的理论和各种形式的无针注射结构专利不断出现，各种形式的无针注射器(枪)推向了市场，并从人医扩展到兽医领域。人医无针注射器侧重于卫生要求，多是一次性的，或与人体接触部件是一次性的［1］。而兽医无针注射器要适应给动物集中免疫注射疫苗的需要，必须是可连续注射、多次使用的。

1 兽医无针注射原理

基本组成是在活塞注射器的基础上，增加驱动装置，瞬时爆发推动活塞，将药液从微型喷孔高速喷出，穿透皮肤形成超微细射流，实现皮下或肌肉注射。再增加吸药装置，可完成自动吸药，连续注射。基本工作原理如图1。

图1 兽医无针注射器基本工作原理

2 兽医无针注射系统研究内容

2．1 驱动方式 主要有弹簧动力、压缩气体动力、电动、电磁驱动，以及激光驱动。比较各种动力结构和工作过程如下:

2．1．1 弹簧动力 典型结构［2］:通过两组铰接的四杆机构，实现吸药和喷药。扳动扳机3，8－3－15－5四杆机构实现吸药，同时压缩主弹簧6;随后，12－14－9－15四杆联动，释放主弹簧6，活塞杆5推动将药液喷出。松开扳机3，12－14－9－15四杆反向运动，活塞复位(图2)。

图2 弹簧动力无针注射器典型结构

典型结构［3］:电机→偶合筒→拉杆→压缩弹簧→活塞→吸药。电机反转→拉杆→弹簧复位→活塞→喷射。

特点:可调节注射剂量，可实现连续注射。但结构需要机械锁合和脱开装置来压紧和释放弹簧，较为复杂［3］。

2．1．2 压缩气体动力 典型结构［4］:压缩气体→磁性活塞→注射活塞→吸药。手柄→压缩气体→磁性活塞→注射活塞→喷射。先打开气阀，压缩气体通过通道5进入腔体，推动磁性活塞6后移，其与限位磁铁8间距离进入磁力范围时，与限位磁铁8接触，带动注射活塞杆3后移，药液吸入注射筒2。之后扳动手柄9，压缩气体逆行，通过通道7进入腔体，当气压对于6的作用力大于磁性活塞6与限位磁铁8间的磁力时，推动6向前运动，随着件6和8之间距离加大，吸引力减小，磁性活塞瞬时爆发，推动注射活塞3将筒2中的药液挤入注射头1中，完成喷射(图3)。

图3 压缩气体动力无针注射器典型结构

特点:剂量可调，可实现连续注射。

2．1．3 电磁动力 典型结构1［5］:电磁绕组→撞击杆→活塞→药液→喷孔。电磁铁线圈通电，吸引铁芯快速运动，推动撞击杆撞击活塞，将药液从喷孔急速射出，形成水针穿透皮肤给药。注射完成一次，螺旋弹簧反弹，将铁芯复位。

典型结构2［6］:电磁线圈→吸进活塞的永磁体→活塞→吸药或喷射。打开控制电路7，电磁线圈671通电，向着存在磁场的环形孔洞641后方移动，绕线体67前端永磁体68吸住活塞69同向运动，此时，注射头内的密封球16被锥形弹簧17压入密封圈15，在活塞69与密封球16间形成负压，完成吸药。给电磁线圈反向通电，永磁体68推动活塞69反向运动，将药液喷出。吸药瓶中有单向阀(图4)。

特点:磁场力易于调节，使得注射深度可控。结构2更可方便实现连续注射。

图4 电磁动力无针注射器典型结构

2．1．4 电动式 典型结构［7］:直流电机→齿轮传动组→齿条→活塞→喷孔。关键在于与齿条啮合的齿轮是不完全齿轮。电机12通电，齿轮组13、14、15带动齿条16移动，与齿条相连的活塞杆9后移，压缩弹簧10完成蓄能(或可添加上图4中的药瓶，完成吸药)。当不完全齿轮15转过1800时，与齿条脱离啮合，齿条即反向运动，带动活塞杆9撞击撞针5，急速推动7中的注射活塞向前移动，结合安瓶瓶，完成注射(图5)。

图5 电动式无针注射器典型结构

特点:通过调节杆可调节给药剂量，通过复位弹簧可实现连续注射。

2．1．5 激光动力 典型结构［8］:激光驱动器→液体动能腔→活塞→给药腔→喷孔。驱动器发出激光，作用于动能腔中液体上，光热转化，令其瞬间膨胀，推动活塞，活塞推动给药腔中药液，经喷射口向皮肤喷射给药。之后，激光器关闭，动能腔气态液体失去激光能量作用，转换为液态，腔内负压吸引将活塞复位，同时给药腔吸药。

特点:通过选择功率，可实现激光能量精确控制，注射深度可控;激光通过光纤传输，可选择不同口径的光纤导管，满足不同组织部位的给药需求;可连续给药，并且不需要专门的复位构件。

2．2 喷孔结构 喷孔的结构直接影响射流的流动性和动力性能，并应不易发生堵塞。在动力一定的情况下，还会影响注射深度。常用的喷孔结构之一是收缩角为 13°，长径比为 2～4的针形喷孔［9－10］。另一种结构是缩放形喷孔［11］，当压力足够大时，其流体出口速度可超过声速。喷孔数量一般为一个，也可为均匀分布的两个或更多。喷口直径在0．1～0．5 mm范围内。

2．3 喷射特性 喷射压力、喷射速度、喷射功率等直接影响注射质量，喷射压力决定了喷射能否穿透皮肤，喷射速度影响到注射深度，喷射功率直接影响喷射注射的注射完全度(注射时进入皮肤的药物与注射剂量之比)。从喷射注射系统的研制角度出发，人们运用流体力学、电磁学原理等各种理论建模和试验检测手段，得出了喷射压力与时间、喷射压力与注射剂量的关系曲线［12－13］。喷射速度可以采用粒子图像测速仪PIV测得［14］。

2．4 注射效果 注射效果的研究包括与有针注射的比对，主要手段有对实验动物实施无针注射带荧光材料的生理盐水，运用多光谱活体动物成像分析系统，观察注射点周围的荧光分布。结果显示比有针注射有更好的药物吸收率［15］。研究内容还包括注射深度与注射剂量的关系。

3 应用状况

加拿大、美国是较早开展研究并使用兽医无针注射器的国家。据报道［16］，美国有近80%的大型养殖场在使用无针注射器，他们的产品主要有美国Pulse公司生产的压缩气体驱动的三种规格的兽医无针注射系统，加拿大的Agro－jet公司生产的压缩气体驱动的九种规格的产品，和Acushot公司生产的压电传动器驱动的两种规格的兽医无针注射器产品。它们总体容量为0．1～5．0 mL，标称剂量精度为±1%。这些产品已在美国、加拿大、欧洲、日本等国际市场上推广，现已进入我国市场，主要在东部沿海地区推广试用，价格较高。

在我国，四、五年前已有企业和高校进行兽医无针注射器的开发、研究，已制造出了样机。在驱动原理、喷射特性和注射效果方面也进行了理论和检测方法研究。但测量方法和分析过程侧重于理论性，鲜有进入实际生产应用。

4 无针注射器与传统注射器的比较

传统针头注射器注射药液时，药液将周围组织挤走，在组织中沉积成“池”形，组织从与药液池接触的边界开始逐步向中心进行药液吸收，由于接触边界有限，吸收速度很慢。相比较而言，无针注射器是一种更加安全、快速、可靠、准确、简便的注射方式。药液呈雾状或喷射状在真皮、皮下和肌肉组织中扩散，药物的微小流体颗粒与吸收组织密切接触。药物的吸收率随扩散面积扩大而增加，对皮肤的创伤随喷射孔的缩小而减少。且能避免交叉感染，减少动物疼痛，符合动物福利要求，又能提高肉的品质。

虽然在试用中发现兽医无针注射器还有一些不尽人意的地方，如气动式的需背负动力气瓶，操作人员易疲劳;操作需要经过培训，确保注射器和皮肤表面垂直，否则影响注射效果;价格较高，一般养殖场难以接受等。但从国外产品不断的更新换代和在全球市场上推广使用的事实可以推断兽医无针注射器具有良好的发展前景，将会像人用无针注射一样，成为一种动物免疫、疫病控制的新型给药方式。

［1］ Hans － Peter Haar，Wiesloch George，Bevan Kirby Meacham，et al．Needleless hypodermic injection system，application device and medication cartridge therefor．US 6986754 B2．

［2］ 肖 汉，肖 治，栾苏泉．连续无针注射器:中国，201603206U［P］．

［3］ 陈 凯．一种用于动物连续注射的无针注射系统:中国，CN101554498B［P］．

［4］ 王孝军．兽用无针注射器:中国，CN101428159A［P］．

［5］ 王军喜．电磁式无针自动注射器:中国，CN201375732Y［P］．

［6］ 陈 凯．电磁力驱动的连续无针注射系统:中国，CN101690834B［P］．

［7］ 王义文，蔺勇智，沈玉辉，等．电动式可调节剂量自动无针注射器:中国，CN201744024U［P］．

［8］ 黄 晶，赵纯亮，陈 洪，等．激光驱动无针注射装置:中国，CN201453778U［P］．

［9］ 周志益，赵纯亮，陈 洪，等．激光驱动无针注射系统研制与初步性能测试．激光杂志，2011，32(1):69 －70。

［10］金 京．无针安全注射器的设计［J］．生物医学工程研究，2007，26:297 －298．

［11］ 陈 凯．无针注射器:中国，CN2933434Y［P］．

［12］陈 凯，周 华．弹簧式液体喷射过程的建模及实验研究［J］．中国生物医学工程学报，2010，29(1):150－154．

［13］陈 凯，周 华．用于动物疫苗注射的无针注射系统的设计［J］．中国机械工程，2010，10:1231 －1234．

［14］焦 坤．无针注射器测试评价系统的研究［D］．华中科技大学硕士论文．2007．

［15］陈 凯，杨锋雷．基于音圈直线驱动的无针注射技术研究［J］．机械工程学报，2011，9:151 －156．

［16］李 丹．无针头注射器受制于操作繁琐［J］．南方农村报，2011．1．27．